【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

时间： 2022-09-28 来源：世强

散热方案设计

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。