搜索Teradici 利用ANSYS Icepak 優化外殼散熱，改善PCoIP 零客戶端設計
2017-06-06 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
公司員工需要訪問數據和軟件,不過臺式機或筆記本電腦并非唯一選擇,還可使用PCoIP® 零客戶端(zero client) 實現遠程桌面訪問。零客戶端是一種不帶通用CPU、本地數據存儲設備、應用操作系統和散熱風扇的簡易硬件設備,也就是說是一種具有超高安全性且易于管理和部署的客戶端,適合用于虛擬桌面和遠程工作站環境。
開發PCoIP 協議的Teradici 公司提供的PCoIP 零客戶端能為用戶帶來豐富的計算體驗。這些零客戶端的生態足跡小,產生的熱量很少,消耗功率相對較低。通過IP 網絡,無論是距托管在數據中心中的虛擬桌面或高性能遠程工作站只有幾步之遙,還是身在世界各地,都能輕松訪問。
PCoIP 零客戶端結構緊湊,同時內部溫度必須保持在有效工作范圍內。零客戶端通常會靠近用戶,因此外殼溫度摸上去不能讓人感到不適。Teradici 的工程師使用ANSYS Icepak 來評估并優化了散熱過程,使溫度保持在允許的安全范圍內。
熱建模問題
為了將PCoIP 處理器的溫度保持在所要求的工作范圍內,零客戶端內部溫度不得超過100℃ (212℉)。此外其外部溫度應低于45℃ (113℉),以免摸上去感覺不適。
憑借豐富的半導體和硬件設計經驗,Teradici 在采納了客戶的反饋后,計劃對使用較小外殼的參考設計進行調研。了解到散熱是關鍵因素,因此工程師轉而采用ANSYS 軟件。
為實現可靠的散熱水平,比較常見的方式是在設備上安放散熱片,并使用風扇強制空氣流動。不過自然對流冷卻比強制通風要更好,因為這樣無需使用風扇而且能確保靜音運行。ANSYS Icepak 可為電子設備提供基于計算流體動力學(CFD) 的可靠散熱管理功能,因此,可利用該軟件對整個系統進行熱建模,以研究各種外殼設計方案。建模內容包括采用MCM 倒裝焊接技術的硅芯片封裝基板、印刷電路板(PCB),采用了不同尺寸、通風和方向的不同外殼設計方案,以及不同的內部熱源。
在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客戶端PCB 銅線跡,基板上裸片作為熱源,有兩個DRAM器件、一個閃存器件和一個音頻編解碼器。
導入模型
Teradici 工程師使用業界標準封裝設計工具生成基板設計,并使用ALinks for EDA 將設計導入Icepak。可將倒裝芯片設計看作是微型八層PCB。Icepak分析基板中復雜的銅線跡。裸片產生的熱量通過銅線跡傳遞到封裝焊球,然后再經焊球傳遞到主PCB。
工程師還可將PCB 設計導入Icepak。類似于基板設計,開發團隊使用Icepak 分析六層PCB 的銅線跡。由于時間限制,未對模型中的焦耳熱進行分析。團隊計劃以后利用ANSYS SIwave 仿真分析了電子封裝的功耗和信號完整性,進而分析包含這一額外熱源在內的PCB 電氣屬性。
利用協同仿真將電與熱物理學耦合,能提供更高的熱與功率/ 信號可靠性。
在ANSYS Icepak 中建模的PCoIP 零客戶端PCB 銅線跡,基板上裸片作為熱源,有兩個DRAM器件、一個閃存器件和一個音頻編解碼器。
外殼組件的簡化網格
初始分析
帶封裝散熱器、無外殼的初始Icepak 自由空氣仿真
任何CFD 問題都需要將系統分解為一系列計算單元,該過程稱為網格剖分。選擇ANSYS Meshing 是關鍵,這樣就能盡量減少模型中計算單元的數量并且確保最快的分析速度。在產品的重要區域使用精細網格,以精確捕捉可影響產品性能的關鍵對流特性。將幾何結構簡化為立方體可進一步減少計算單元數。
在執行首次熱分析時,可對PCB 上視為平面熱源的相應區域進行功耗(單個組件產生的熱)估計,或對組件進行功耗估計。主要熱源是中間的PCoIP 主處理器。
在一個較新的PCB 系統實例中,工程師為PCoIP 處理器組件添加了一個六層的鋁制散熱片。為PCB 加裝外殼勢必會增加裸片溫度,但是工程師需要使溫度維持在100 ℃ (212℉)以下。因此他們在外殼上增加了一些通風孔以改善空氣循環,從而加強裸片及其它內部組件的冷卻。不過這會在外殼上形成局部熱點。為確定最高效的通風孔設計,開發團隊需要對各種外殼方案進行仿真。
利用參數實現最優化
應對整個系統的多種不同參數和情況進行建模,如格柵尺寸/ 布置、外殼厚度、外殼材料、PCB 與外殼間的空氣分離、器件源功率、氣流和環境溫度。Icepak 的參數化功能可以控制很多這樣的參數,從而使多仿真任務的執行變得簡單。
電磁干擾(EMI) 也是設計外殼時需要考慮的問題。在理想情況下,整個設計(包括外部電氣連接)應該密封在法拉第籠內,以最大程度減少EMI。不過,這樣無法在熱源與外界間提供散熱通道。工程師再次使用Icepak 的數化功能對散熱孔尺寸和位置進行虛擬實驗。這樣便可運行數百次設計情景仿真以生成可供后續分析用的數據。
ANSYS Icepak 參數化選項實例
驗證實際結果
為了驗證Icepak 模型的精確性,可對不同外殼原型進行3D 打印,并利用熱成像儀測量PCB 上硅芯片以及外殼表面的熱點溫度。開發團隊注意到連接零客戶端的線纜可將熱量從外殼散去,很好地起到散熱器的作用。直接連到PCB 的金屬連接器也提供了主要的外殼散熱途徑,有助于將目標系統溫度保持在45℃ (113℉) 的最大表面溫度以下。
為了提高Icepak 模型的精確性,工程師創建了一個包含線纜以及連接器的簡單模型以便與熱成像儀的結果進行比對。針對簡化外殼的Icepak 仿真重現了熱成像儀的結果。仿真與模型和功能系統的良好相關性使開發人員對建模有了足夠信心,也就無需再針對其他外殼重復快速原型設計工作。
覆蓋熱成像儀圖像的3D 打印外殼熱成像儀圖像
Icepak 溫度仿真顯示線纜的散熱以及PCB 上器件的熱點(機殼內“R”和“A”開孔的下方)
熱對流形式
外殼內部以及周圍的熱流詳細信息有助于通風孔布置。應利用水平和垂直布置的不同通風孔設計方案對外殼仿真模型進行測試。垂直布置方式所形成的對流冷卻和煙囪效應說明適中的通風孔就可實現可接受的外殼溫度。
外殼中間薄片區域的氣流矢量(左圖)和溫度圖(右圖)
總結
經證明,ANSYS Icepak 及其參數化功能在確定零客戶端的不同設計方案時非常有用,包括用來實現器件溫度和外殼表面溫度最小化的最佳方法。Icepak 能對系統中的復雜熱流進行成功建模,包括PCoIP 處理器(主要熱源)從裸片通過基板再到PCB 的熱傳遞,以及通過外殼的熱傳遞。仿真還有助于快速分析不同的外殼方向和通風方案。
Teradici 認識到了ANSYS 技術的優勢,有助于為PCoIP 零客戶端功能外殼設計制定出最佳實踐方法。在3D 打印模型與仿真結果之間建立良好的關聯為人們提供有利機會,有助于設計出更小型更高效的設備外殼。
出處:tech.simwe.com
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