Материал: Методические указания к практическим работам по дисциплине “Моделирование и оптимизация тепловых характеристик конструкций при проектировании РЭС”. Турецкий А.В., Ципина Н.В
туре — одно из первоочередных мероприятий при построении системы питания. Модуль питания имеет значение коэффициента полезного действия (КПД) порядка 89%,что приводит к тепловым потерям внутри модуля, составляющим по величине 1/3– 1/5 от мощности, поступающей в нагрузку. Если не отводить это выделяемое модулем тепло, он перегреется и выйдет из строя. Мощность тепловых потерь Pdiss можно рассчитать по формуле
(1).
(1)
В нашем случае, они составляют:
После того как стало известно, какую мощность Pdiss необходимо отвести от модуля питания, чтобы не допустить его перегрев выше предельных значений, можно вычислить максимальное тепловое сопротивление теплоотводящей системы. От него зависит, насколько сильнее модуль питания будет нагрет, чем окружающая его среда:
|
, |
(2) |
|
где Tmax— максимально допустимая температура корпуса модуля питания;
Tокр— температура окружающего воздуха при эксплуатации модуля питания (необходимо учитывать также и тепловыделение соседних с модулем элементов).
В нашем случае:
Следует отметить, что величина теплового сопротивления в том числе и металлических корпусов модулей питания, зависит, причем не линейно, от множества факторов. Имеет зна-
4
чение расположение конструкции в пространстве(насколько не затруднена свободная либо принудительная передача тепла в окружающую среду), величина рассеиваемой мощности, температура окружающей среды и разность температур окружающей среды и корпуса модуля питания. Однако в пределах допущений оценочного расчета теплового режима модулей питания величину теплового сопротивления Rmax можно считать постоянной.
Теперь мы можем рассчитать перегрев модуля T относительно температуры окружающей среды Tокр = 20 °С (3).
T= Rmax·Pdiss |
(3) |
Для модуля питания перегрев будет составлять:
T=12,96·6,17=80°С
Следовательно, температура модуля с учетом окружающей среды составит:
Тмод=Токр+ΔT=20°С +80°С=100°С
Как видно, температура находится в границах рабочих температур модуля, однако, как видно из графика тепловой зависимости, при температуре выше 85 °С выдаваемая мощность модуля резко снижается и к 100 °С уже практически равняется нулю. Следовательно, чтобы добиться надежной и эффективной работы модуля питания нам будет необходимо использовать дополнительное охлаждение.
Задание начальных условий для теплового моделирова-
ния.
Чтобы провести тепловой расчет в Solid Works, зададим материалы для печатной платы и модулей питания. Добавим стеклотекстолит из списка материалов модели для платы и пластмассу для двух модулей питания.
5
Рис. 4. Задание материала
Необходимо задать также начальные условия, при которых соответственно будет происходить расчет. Для этого выбираем самые теплонагруженные элементы, в нашем случае это модуль питания. Задаем термическую нагрузку тепловой мощностью 50 Вт.
После этого требуется задать температуру окружающей среды и коэффициент конвекции. Температура окружающей среды 20 °С, так как конвекция естественная, то коэффициент конвекции равен 20 Вт/м2К (рисунок 4).
6
Рис. 5. Задание коэффициента конвекции и температуры окружающей среды
Рис. 6. Задание выделяемой мощности компонентов
7
Результаты моделирования После того, как все начальные условия заданы, выполня-
ем тепловой расчет. Результаты расчета представлены на рисунке 7.
Рис. 7. Результаты теплового моделирования
Исходя из результатов моделирования, максимальная температура платы достигает 120 °С. Эта температура превышает максимальную на 85 °С, предъявленную производителем, следовательно, следует понизить температуру.
3. Задание:
3.1.Провести моделирование температурных полей.
3.2.Провести тепловой расчет.
3.3.Задать материалы для печатной платы и модуля.
8