干货 | 基于Icepak的远程桌面访问设备的冷却设计
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
