利用ANSYS Icepak 优化外壳散热，改善PCoIP 零客户端设计

pjh02032121 · 发表于 2017-4-11 20:10

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本帖最后由 pjh02032121 于 2017-4-11 20:13 编辑

司员工需要访问数据和软件，不过台式机或笔记本电脑并非唯一选择，还可使用PCoIP® 零客户端(zero client) 实现远程桌面访问。零客户端是一种不带通用CPU、本地数据存储设备、应用操作系统和散热风扇的简易硬件设备，也就是说是一种具有超高安全性且易于管理和部署的客户端，适合用于虚拟桌面和远程工作站环境。

开发PCoIP 协议的Teradici 公司提供的PCoIP 零客户端能为用户带来丰富的计算体验。这些零客户端的生态足迹小，产生的热量很少，消耗功率相对较低。通过IP 网络，无论是距托管在数据中心中的虚拟桌面或高性能远程工作站只有几步之遥，还是身在世界各地，都能轻松访问。

PCoIP 零客户端结构紧凑，同时内部温度必须保持在有效工作范围内。零客户端通常会靠近用户，因此外壳温度摸上去不能让人感到不适。Teradici 的工程师使用ANSYS Icepak 来评估并优化了散热过程，使温度保持在允许的安全范围内。

热建模问题

为了将PCoIP 处理器的温度保持在所要求的工作范围内，零客户端内部温度不得超过100℃ (212℉)。此外其外部温度应低于45℃ (113℉)，以免摸上去感觉不适。

凭借丰富的半导体和硬件设计经验，Teradici 在采纳了客户的反馈后，计划对使用较小外壳的参考设计进行调研。了解到散热是关键因素，因此工程师转而采用ANSYS 软件。

为实现可靠的散热水平，比较常见的方式是在设备上安放散热片，并使用风扇强制空气流动。不过自然对流冷却比强制通风要更好，因为这样无需使用风扇而且能确保静音运行。ANSYS Icepak 可为电子设备提供基于计算流体动力学(CFD) 的可靠散热管理功能，因此，可利用该软件对整个系统进行热建模，以研究各种外壳设计方案。建模内容包括采用MCM 倒装焊接技术的硅芯片封装基板、印刷电路板(PCB)，采用了不同尺寸、通风和方向的不同外壳设计方案，以及不同的内部热源。

在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客户端PCB 铜线迹，基板上裸片作为热源，有两个DRAM器件、一个闪存器件和一个音频编解码器。

导入模型

Teradici 工程师使用业界标准封装设计工具生成基板设计，并使用ALinks for EDA 将设计导入Icepak。可将倒装芯片设计看作是微型八层PCB。Icepak分析基板中复杂的铜线迹。裸片产生的热量通过铜线迹传递到封装焊球，然后再经焊球传递到主PCB。

工程师还可将PCB 设计导入Icepak。类似于基板设计，开发团队使用Icepak 分析六层PCB 的铜线迹。由于时间限制，未对模型中的焦耳热进行分析。团队计划以后利用ANSYS SIwave 仿真分析了电子封装的功耗和信号完整性，进而分析包含这一额外热源在内的PCB 电气属性。

利用协同仿真将电与热物理学耦合，能提供更高的热与功率/ 信号可靠性。

在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客户端PCB 铜线迹，基板上裸片作为热源，有两个DRAM器件、一个闪存器件和一个音频编解码器。

外壳组件的简化网格

初始分析

带封装散热器、无外壳的初始Icepak 自由空气仿真

任何CFD 问题都需要将系统分解为一系列计算单元，该过程称为网格剖分。选择ANSYS Meshing 是关键，这样就能尽量减少模型中计算单元的数量并且确保最快的分析速度。在产品的重要区域使用精细网格，以精确捕捉可影响产品性能的关键对流特性。将几何结构简化为立方体可进一步减少计算单元数。

在执行首次热分析时，可对PCB 上视为平面热源的相应区域进行功耗（单个组件产生的热）估计，或对组件进行功耗估计。主要热源是中间的PCoIP 主处理器。

在一个较新的PCB 系统实例中，工程师为PCoIP 处理器组件添加了一个六层的铝制散热片。为PCB 加装外壳势必会增加裸片温度，但是工程师需要使温度维持在100 ℃ (212℉)以下。因此他们在外壳上增加了一些通风孔以改善空气循环，从而加强裸片及其它内部组件的冷却。不过这会在外壳上形成局部热点。为确定最高效的通风孔设计，开发团队需要对各种外壳方案进行仿真。

利用参数实现最优化

应对整个系统的多种不同参数和情况进行建模，如格栅尺寸/ 布置、外壳厚度、外壳材料、PCB 与外壳间的空气分离、器件源功率、气流和环境温度。Icepak 的参数化功能可以控制很多这样的参数，从而使多仿真任务的执行变得简单。

电磁干扰(EMI) 也是设计外壳时需要考虑的问题。在理想情况下，整个设计（包括外部电气连接）应该密封在法拉第笼内，以最大程度减少EMI。不过，这样无法在热源与外界间提供散热通道。工程师再次使用Icepak 的数化功能对散热孔尺寸和位置进行虚拟实验。这样便可运行数百次设计情景仿真以生成可供后续分析用的数据。

ANSYS Icepak 参数化选项实例

验证实际结果

为了验证Icepak 模型的精确性，可对不同外壳原型进行3D 打印，并利用热成像仪测量PCB 上硅芯片以及外壳表面的热点温度。开发团队注意到连接零客户端的线缆可将热量从外壳散去，很好地起到散热器的作用。直接连到PCB 的金属连接器也提供了主要的外壳散热途径，有助于将目标系统温度保持在45℃ (113℉) 的最大表面温度以下。

为了提高Icepak 模型的精确性，工程师创建了一个包含线缆以及连接器的简单模型以便与热成像仪的结果进行比对。针对简化外壳的Icepak 仿真重现了热成像仪的结果。仿真与模型和功能系统的良好相关性使开发人员对建模有了足够信心，也就无需再针对其他外壳重复快速原型设计工作。

覆盖热成像仪图像的3D 打印外壳热成像仪图像

Icepak 温度仿真显示线缆的散热以及PCB 上器件的热点（机壳内“R”和“A”开孔的下方）

热对流形式

外壳内部以及周围的热流详细信息有助于通风孔布置。应利用水平和垂直布置的不同通风孔设计方案对外壳仿真模型进行测试。垂直布置方式所形成的对流冷却和烟囱效应说明适中的通风孔就可实现可接受的外壳温度。

外壳中间薄片区域的气流矢量（左图）和温度图（右图）

总结

经证明，ANSYS Icepak 及其参数化功能在确定零客户端的不同设计方案时非常有用，包括用来实现器件温度和外壳表面温度最小化的最佳方法。Icepak 能对系统中的复杂热流进行成功建模，包括PCoIP 处理器（主要热源）从裸片通过基板再到PCB 的热传递，以及通过外壳的热传递。仿真还有助于快速分析不同的外壳方向和通风方案。

Teradici 认识到了ANSYS 技术的优势，有助于为PCoIP 零客户端功能外壳设计制定出最佳实践方法。在3D 打印模型与仿真结果之间建立良好的关联为人们提供有利机会，有助于设计出更小型更高效的设备外壳。