干货 | 基于Icepak的远程桌面访问设备的冷却设计_Icepak_Siwave_电路_信号完整性_半导体_通用

干货 | 基于Icepak的远程桌面访问设备的冷却设计

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原作者：Steve Dabecki, Director of Silicon Engineering和Kevin Betts, Principal Engineer,

Teradici Corporation, Burnaby, Canada

翻译：IDAJ-China技术部流体组

企业需要员工有权访问数据和软件，但是提供物理台式机或笔记本电脑并不是唯一的选择。使用PCoIP®零客户端（一种没有通用CPU，本地数据存储，应用程序操作系统或冷却风扇的简化硬件设备）的远程桌面访问是适用于虚拟桌面和远程工作站环境的超安全，易于管理和部署的客户端。PCoIP协议的开发者Teradici为PCoIP零客户端提供技术，为用户提供丰富的计算体验。这些零客户端留下了很小的环境足迹，几乎不产生热量，并且使用的功率也相对较少。远程用户可以通过IP网络从位于世界各地的几个办公桌访问数据中心中托管的虚拟桌面或高性能远程工作站。

PCoIP零客户端非常紧凑，其内部温度必须保持在有效的工作范围内。通常，零客户端在物理上靠近用户，因此外壳必须保持一定的温度，如果被触摸，该温度不会令人不舒服。Teradici的工程师使用ANSYS Icepak进行评估，然后优化冷却过程，从而将温度保持在安全和认可的范围内。

一个热建模问题

为了维持PCoIP处理器所需的工作温度范围，零客户端的内部温度不应超过100℃（212 F）。此外，零客户端外部温度应低于45℃（113 F），以避免接触到的表面令人不舒服。

知道散热是关键因素之后，工程师转向了ANSYS软件。

凭借其丰富的半导体和硬件设计经验，Teradici将其客户的反馈意见转变为一项计划，即使用较小外壳设计的参数调研。知道散热是关键因素之后，工程师们转向ANSYS软件。实现可靠的热量水平的一种明显方法是在设备上放置散热器，并使用来自风扇的强制气流。但是，使用自然对流冷却优于强制通风，以消除对风扇的需求并确保静音运行。ANSYS Icepak为电子产品提供了基于计算流体动力学（CFD）的热管理。使用ANSYS Icepak对整个系统进行了热建模，以研究可能的外壳设计的不同方法。建模包括倒装芯片MCM格式的硅芯片封装基板，印刷电路板（PCB），以及通过改变尺寸，通风和方向以及内部热源构造的不同外壳设计选项。

导入模型

Teradici工程师使用行业标准的封装设计工具来生成基板设计，并使用ALinks for EDA将设计导入Icepak。倒装芯片设计可以视为微型八层PCB。Icepak分析了基板内复杂的铜走线，这使芯片产生的热量耦合到封装焊球，封装焊球又耦合到主PCB。

用ANSYS Icepak进行基板封装建模

工程师还将PCB设计导入了Icepak。与在基板设计上所做的工作类似，该团队使用Icepak分析了PCB六层的铜走线。由于时间限制，该模型未包含焦耳加热。该团队计划在以后使用ANSYS SIwave仿真对电子封装进行功率和信号完整性分析，以分析PCB的电气特性，并结合这种额外的热源。使用协同仿真将电热物理耦合在一起，可以提供更高的热和功率/信号可靠性。

ANSYS Icepak中建模的PCoIP零客户端的PCB铜走线显示了带有芯片作为热源的基板，两个DRAM设备，一个闪存设备和一个音频编解码器设备。

初步分析

任何CFD问题都需要将系统分解为一系列计算单元，这一过程称为网格划分。在产品的关键区域应用了细网孔，以准确捕获自由对流影响产品性能的关键流动特征。将几何简化为立方体可以将这种情况进一步减小。

外壳组件的简化网格

对于进行的第一次热分析，将功率（由单个组件产生的热量）估算值作为平面热源放置在PCB各自区域的顶部，或者放置整个组件的功率估算值。主要的热源是位于中央的主PCoIP处理器。

在最近的PCB系统示例中，工程师向PCoIP处理器组件添加了六翅片铝散热片。在PCB周围增加一个外壳显然会增加芯片温度，但是工程师需要将温度保持在100℃（212 F）以下。因此，他们在外壳上增加了通风口，以改善空气流通，进而增强了模具和其他内部组件的冷却。但是，这导致了机箱本身上的局部热点。为了确定最有效的通风口设计，团队需要模拟各种机箱选项。

带有散热器且无外壳的封装的自由流初步模拟

使用参数进行优化

对整个系统的许多不同参数和场景进行了建模，例如格栅尺寸/位置，外壳厚度，外壳材料，PCB与外壳之间的空气分离，设备源功率，气流和环境温度。Icepak中的参数化功能控制了许多这些参数，从而使多任务仿真执行变得容易。

电磁干扰（EMI）也是外壳设计要考虑的问题。理想情况下，包括任何外部电气连接在内的完整设计应包裹在法拉第屏蔽中，以最大程度地降低EMI。但是，这不会提供从热源到外部空间的热路径。工程师再次使用Icepak的参数化功能对孔的尺寸和位置进行了虚拟实验。使用这种方法，可以运行数百个设计方案仿真来生成数据，以便以后进行分析。

ANSYS Icepak参数化选项示例

验证真实结果

为了验证Icepak模型的准确性，对各种外壳原型进行了3D打印，并用热像仪测量了PCB上硅芯片和外壳表面温度的热点。该团队指出，零客户端的电缆可以将热量散走，可以作为机箱良好的散热片。尽管直接连接到PCB的金属连接器自身达到最高目标表面温度45 ℃（113 F），但也为机箱散出了大量热量。

Teradici认识到ANSYS技术在开发最佳机箱设计上的优势。

为了提高Icepak模型的准确性，工程师们创建了一个简单的模型，其中包括电缆和连接器以匹配热像仪的结果。此简化外壳的Icepak仿真复制了热像仪的结果。模型和功能系统的相关性为建模提供了信心，而无需为其他外壳重复进行快速原型制作。

3-D打印外壳的热像仪图像

Icepak温度模拟显示通过PCB上设备的电缆和热点的散热（外壳中“ R”和“ A”切口下方）

热对流模式

有关机箱内部及其周围的热流的详细信息提供了有用的通风口放置信息。使用水平和垂直放置的不同通风口设计对外壳的仿真进行了测试。对流冷却和垂直位置产生的烟囱效应表明适度的通风可提供可接受的外壳温度。

穿过外壳中心的切面的气流矢量（顶部）和温度图（底部）

事实证明，ANSYS Icepak及其参数化功能非常有用。

总结

实践证明，ANSYS Icepak及其参数化功能对于确定零客户端机箱的不同设计选项非常有用，其中包括使设备温度和机箱表面温度降至最低的最佳方法。Icepak成功地模拟了系统中的复杂热流，包括PCoIP处理器（主要热源）从芯片通过基板到PCB的热传递，以及通过外壳的热传递。仿真有助于快速分析不同的外壳方向和通风选项。

Teradici认识到ANSYS技术在开发最佳实践，为PCoIP零客户端设计功能性机箱方面的优势。在3-D打印模型和仿真之间建立合理的关联性可以使设计人员更容易设计出更小，更高效的设备外壳。

参考：www.teradici.com/zeroclient

来源：艾迪捷

【视频案例】| 利用GT-SUITE缸压分析以检测气缸泄漏

一、研究背景及意义气缸的泄漏量的多少是气缸性能的好环的一个的重要的指示指标。鲁棒性和高保真性的油缸泄漏检测对监测气缸的健康状况具有重要意义。主要体现在以下两个方面：有助于及早发现问题，避免公司在保修/服务方面的重大支出减少因油耗增加而产生的不良二氧化碳排放具体的气缸的泄漏量对于发动机的影响如下图1所示。图1 缸内泄漏对发动机的影响说明曲轴箱通风系统通常不被认为是提高内燃机(汽缸)性能的主要因素。气缸泄漏可能是由于衬套磨损，活塞环退化所致。通过排气泄漏的汽缸泄漏会导致发动机性能下降，同时有害排放物(UHC、CO、PM)泄漏到曲轴箱中，反过来对曲轴的使用寿命和润滑油的质量产生不利影响。增加泄漏表明更高的泵气损失和退化的气缸状态,从而降低发动机效率、降低燃油效率和增加二氧化碳排放。在发动机的整个循环过程中，大部分泄漏气体产生的时期是在压缩和膨胀冲程期间。在燃烧过程中，曲轴箱内会产生较高的峰值压力，一部分气体会通过活塞环泄漏到曲轴箱内，活塞环不能保证曲轴箱的完美密封，也不是完全气密性的。目前的分析试图通过对气缸压力的测量来解决对气缸泄漏的检测能力。对于气缸泄漏量的分析有以下几个问题要解决：气缸压力相对于气缸泄漏水平的变化是多少?我们可以使用高速压力传感器来检测汽缸泄漏吗?在试验发动机中诱导气缸泄漏是困难和不可取的，因此需要采用模拟方法。对于上述的第二条，试验室级的传感器精度高，但是长时间运行的耐久性有问题，而且成本比较高。最近开发出新的传感器解决的高成本与耐久性的问题。图2 Kistler 6067水冷气缸压力传感器二、模型简介建立GT-SUITE的气缸泄漏模型。有专门的模板用于定义气缸的泄漏模型。建立康明斯发动机的基本模型，发动机参数是16L,6缸发动机。具体的参数如图3所示。图3 发动机机型根据GT-SUITE/GT-POWER专门的模型进行气缸泄漏模型的定义。具体定义如图4所示。图4 气缸的泄漏模型其中，图4中的等效的泄漏直径等效为气缸直径的1-5%。分析压缩上止点前：90、60、30、10度和上止点压力与气缸泄漏流量的关系，量化泄漏增加时压力的检测分辨率。根据分析的需要，对如下的工况点进行分析。表1 仿真工况点三、高速高负荷（HSHL）工况点分析结果高速高负荷的仿真分析的结果如图5所示。图5 高速高负荷时，泄漏量与对应角度压力的影响图5中的Non-Dim Leak的计算如下所示：Non-Dim Leak= (Blowby Flow Rate/ Charge Flow Rate）随着泄漏量的增加，缸内压力会下降。PCP & P@10BTDC的压力影响最大。而P@60BTDC和P@90BTDC的影响很小(<1 bar)。在不同的泄漏量条件下，不同曲轴转角对应的压力变化量拟合曲线如图6所示。图6 不同泄漏量时，不同曲轴转角对应拟合函数趋势线的斜率可以帮助插值泄漏量对其他未模拟的中间泄漏水平的影响(注意R^2)。从拟合结果来看，拟合质量非常好。最终拟合出的斜率结果如图7所示。图7 不同泄漏量时，对应的变化斜率三个不同曲轴转角度下的压力与标准化气流的变化(针对不同的泄漏水平)。图8 不同泄漏量的三曲轴转角压力变化在给定的运行条件下，偏离目标气流量的气缸内压力的变化，可以根据图8所示的曲线给定气缸的泄漏量，也就是能定义气缸的健康状态了。从而可以得出，随着泄漏量的增加，对缸内的压力有显著的影响。泄漏量随着缸内的压力的变化而变化。并对燃料经济性有一定的影响。具体如图9分析结果。图9 不同泄漏量对压力和BSFC的影响四、低速低负荷分析结果低速低负荷的仿真结果如图10所示。图10 低速低负荷时，泄漏量与对应角度压力的影响随着泄漏量的增加，缸内压力会下降。PCP & P@10BTDC的压力影响最大。而P@60BTDC和P@90BTDC的影响很小(<0.2 bar)。在不同的泄漏量条件下，不同曲轴转角对应的压力变化量拟合曲线如图11所示。图11 不同泄漏量时，不同曲轴转角对应拟合函数趋势线的斜率可以帮助插值泄漏量对其他未模拟的中间泄漏水平的影响(注意R^2)。从拟合结果来看，拟合质量非常好。最终拟合出的斜率结果如图12所示。图12 不同泄漏量时，对应的压力变化斜率三个不同曲轴转角度下的压力与标准化气流的变化(针对不同的泄漏水平)。图13 不同泄漏量的三曲轴转角压力变化在给定的运行条件下，偏离目标气流的气缸内压力的变化，可以根据图13所示的曲线给定气缸的泄漏量，也就是能定义气缸的健康状态。从而可以得出，随着泄漏量的增加，对缸内的压力有显著的影响。泄漏量随着缸内的压力的变化而变化。并对燃料经济性有一定的影响。具体如图14分析结果。图14 不同泄漏量对压力和BSFC的影响从图14的结果可以看出，当泄漏量大时，低速低负荷相对于高速高负荷会有气体倒流（从曲轴箱回到气缸内的情况），这在许多文献里面也有详细说明。而对于BSFC的影响，低速低负荷的影响更显著一些。五、结论及展望本文根据GT-SUTIE/GT-POWER建立起的气缸的泄漏模型，根据缸内的测试压力进行气缸的健康状态进行判断。根据仿真的结果，可以得出以下结论：无论是在高速还是低速负载条件下，随着泄漏水平的增加，气缸压力都受到了显著影响。这种影响在PCP和P@10 degBTDC上特别显著的能观察到。当我们远离气缸压力峰值时，影响逐渐减小。泄漏量随气缸压力曲线变化而变化，最大泄漏发生在PCP附近。在低负荷情况下，在某些曲柄角度存在反向泄漏流。在较低负载下，即使低于1%的标准化泄漏水平也会导致PCP和P@10 degBTDC减少约1 bar，而在高负载下，这一减少量约为7 bar。这表明，如果发动机主要在低负载条件下工作，传感器应该足够好，能够准确地解决高达1bar的压力精度，从而能够捕捉到泄漏。由于从PCP和TDC角度可以看到高达>10度的影响显著，所以传感器的曲轴转角分辨率不应该是一个问题。该研究有助于量化气缸压力传感器的分辨率，以捕捉在两种关键工况下由于气缸泄漏而导致的气缸健康退化。未来的模拟工作包括验证多个发动机系列、运行条件和瞬态占空比的结果，并根据性能退化(燃油经济性)定义气缸健康公差水平。参考文献：GammaTechConference_CylinderLeakageAnalysis_v2.pdf（Cummins-GT2020全球用户大会文章）来源：艾迪捷