【经验】VR设备散热方案怎么选?Flotherm XT热仿真软件对比被动散热及风冷散热的优劣势

2022-09-28 世强
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随着元宇宙概念的火热,市场对VR设备的性能需求越来越高,这需要芯片具有更强大的算力,也就意味着设备的热功耗越来越高,本文针对消费电子领域的VR设备,以Flotherm XT热仿真的方式,分析各散热方案的散热能力与优劣性。

        

VR设备整机的ID设计与简易结构、功耗情况、温度要求等,如下图所示:

其主要发热源为pcb上的芯片,其中主芯片功耗最高,对于VR这类消费电子产品,其外壳普遍采用塑料,内部空间较小,对散热设计有很高的要求,目前主要采用被动散热方案或主动散热(风冷)方案。


1、首先是被动散热方案,被动散热又分为两种形式:

(1)一种是将热量从芯片传导至外壳,利用外壳的自然对流与热辐射散热,其结构与传热路径如下图所示,对于此方案,需要使用导热界面材料如博恩的4.5W/m.K导热脂BN-G500,将热量从热量集中的芯片传导至铝散热器并分散开,而后传导至外壳,实现最优的对流和辐射散热效果。

利用Flotherm XT热仿真软件进行仿真,该方案的芯片温度与温度分布云图如下图所示,分析结果可以看出,对于此模型而言,其功耗高达10W,被动散热能力有限,在40℃环境温度下芯片温度远超85℃,并且存在一定的温度集中。这种散热方式适合低功耗、发热源与外壳距离近、外壳导热系数较高的产品。


(2)另一种被动散热思路为在外壳上进行开孔,将风引入设备内,进行自然对流散热,其粗略结构如下图所示。对于此方案,一方面使用散热齿的散热器增加自然对流的散热量,另一方面,将传导至散热器上的热量传导至外壳进行散热,此时可以使用汉华KGH070石墨均温片,将齿片集中的热量分散至外壳,使外壳实现最高的对流与辐射散热。

该方案的芯片温度与温度分布云图仿真结果如下图所示,可以看到所有芯片的温度相较于上一种方案有所下降,更重要的是,使用均温石墨片后的外壳温度分布相较于上一种方案更均匀,即散热效率更高。此方案适合可以开孔的设备,并且内部需要有足够的空间使空气流动,对发热源位置无特殊要求。

        

2、从上面结果可以看到,被动方案的散热能力有限,无法满足高功耗使用要求,此时需要使用主动散热方案,对于大多数设备,主要采用风冷散热。其形式也主要分为两种:

(1)风扇+散热器方案:其结构爆炸图如下图所示,热量从芯片经BN-G500导热脂到散热器,使用台达ND35C05离心风扇(风量1.846CFM,风压21.8mmH2O)将冷风从前壳导入流经散热器,将热量导出。

风扇+散热器方案的芯片温度与温度分布云图仿真结果如下图所示,可以看到所有芯片的温度相较于被动散热方案下降显著,所有热源温度都满足要求。此方案需要使用较大散热器,适合内部空间较大设备;并且此方案由于进出风口不对称,进风口一侧温度较出风口一侧显著较低,此问题可使用石墨均温片进行一定程度的优化,但无法避免。

(2)风扇+热管散热器方案:对于VR设备而言,其需要直接接触人脸,并且内部结构非常紧凑,针对上一种风扇+散热器方案不可避免的温度分布不对称与需要较大空间问题,需要采用风扇+热管散热器方案进行优化。其结构爆炸图如下图所示,芯片热量经由铜散热器传导至热管后,快速传导至齿片散热器处,经由台达ND35C05风扇将热量散出。

风扇+热管散热器方案的芯片温度与温度分布云图仿真结果如下图所示,所有芯片的温度相较于上一种风冷散热方案有一定下降,所有热源温度都满足要求。此方案整机温度分布对称,散热效率高,能有效节约散热组件所需要的空间,是未来更高功耗的VR设备的首选散热方案,也是目前消费电子领域小型设备的最佳散热方案。

        

通过以上FlothermXT热仿真结果我们可以知道,对于不同的散热方案,其特点各不相同,如果在设计阶段引入热仿真,设计合适的散热方案,可以大幅减少试错时间成本。如有需要可联系世强热仿真工程师,我们将为您提供从优选方案、散热设计、热仿真、选型到成品一整套的散热解决方案,帮助提升研发效率,解决散热难题。

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产品型号
品类
尺寸(mm)
厚度(mm)
电压(V)
转速(RPM)
风量(CFM/CMH)
风压(mmH₂O/inchH₂O/Pa)
噪音(dB-A)
讯号
EFB0424VHD-CP0
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40mm
20mm
24VDC
9000RPM
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37.3dBA
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