嵌入式平台的热分析与热优化设计

论文摘要

本论文是以某嵌入式系统为设计背景，这个系统像其他嵌入式系统一样，采用了集成电路、元器件、以及高速电子电路等，由于这个系统的工作环境的复杂，使得系统失效的原因很多，但是过热或热缺陷是失效的原因之一。因此，研究热设计对提高现代电子产品的可靠性和加快人类生活的低碳化发展具有极其重要的意义。首先，本文以传热理论为依据，对嵌入式系统中造成温升的原因进行分析，并对PCB板运用微元体热平衡法建立了PCB板的数学模型，通过对节点的温度分布来确定元器件在电路板设计中的布局。同时分析了PCB板中两种主要的辐射干扰：热辐射与热传导耦合，以及抑制热失效的措施。其次，对PCB板上的电子元器件组件的热分析进行了详细研究，从而以更准确、快速的热分析方法评价了嵌入式系统的热特性及对PCB板热性能的影响，为PCB板的热设计提供了可靠的基础。其中，在设计的硬件平台中，主要是以外围电路的设计为主，因为在外围电路设计中热辐射与热传导耦合是主要的热干扰源，所以，在PCB板元器件的布局设计过程中适当考虑减少有源器件电路在基板上的数量，可以对PCB板的的温度场分布进行优化。最后，在设计中采用Flotherm仿真软件对PCB板建模仿真，并利用Fluck红外测温仪对制作好的电路板进行了热效应测试，且对没有进行热设计的PCB板进行测试，通过Smart View3.0软件分析，给出温度场的所有数据，从而，对电子产品的设计做一个比较可靠的实验结果和设计指导，为获得更好热性能的电子产品打下夯实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题背景和意义
• 1.1.2 国内外研究动态及现状
• 1.2 本文的选题与主要工作
• 2 热设计中的传热理论
• 2.1 传热学
• 2.1.1 热传导
• 2.1.2 热对流
• 2.1.3 热辐射
• 2.1.4 传热过程
• 2.1.5 二维稳态导热分析解及数值解
• 2.1.6 二维稳态导热的有限元数值解
• 2.2 热设计
• 2.2.1 热传导的热设计
• 2.2.2 热对流的热设计
• 2.2.3 热辐射的热设计
• 2.3 硬件的热设计
• 2.3.1 电子设备、电路热设计的内容
• 2.3.2 热设计的方法
• 2.3.3 热设计步骤
• 2.4 常用热分析软件和设备
• 2.5 本章小结
• 3 嵌入式平台的硬件设计
• 3.1 前言
• 3.2 系统的外围电路设计
• 3.2.1 模拟量的 I/O 接口设计
• 3.2.2 仿真模块电路设计
• 3.2.3 电源模块设计
• 3.2.4 时钟电路和复位电路设计
• 3.2.5 UART 串行口电路设计
• 3.2.6 CAN 总线接口电路设计
• 3.3 本章小结
• 4 嵌入式平台的元器件布局设计及硬件的仿真
• 4.1 采用微元热平衡法建立 PCB 板的传导热方程
• 4.1.1 微元体热平衡法建立电路板热传导方程组
• 4.1.2 热传导方程组求解方法
• 4.1.3 初始布局时各节点温度计算
• 4.2 实例分析与优化设计
• 4.2.1 实例的基本参数
• 4.2.2 PCB 板的散热优化
• 4.2.3 仿真分析与验证
• 4.3 本章小结
• 5 对 PCB 板热失效的实验与分析
• 5.1 引言
• 5.2 PCB 板电路实物图及软件介绍
• 5.2.1 分析软件介绍
• 5.2.2 电路板的温度场测试
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要工作和结论
• 6.2 工作展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢