如何用Flotherm进行充电器热分析与设计方案优化

近年来，越来越多企业意识到，将热设计前置到产品开发早期，可以减少后期返工、降低因热问题导致的物理样机制作成本等问题。因此，热设计不再只是开发过程中的补充，而成为电气和机械设计的重要参考和约束条件。

在恩智浦半导体公司智能电源事业部充电器开发项目中，热设计已跃居产品设计的核心地位。这一变化源于电子行业的发展趋势——产品体积不断缩小，而输出功率却不断提升。如今，热问题几乎限制着设计的各个方面。

如何将25W充电器“塞入”18W的外壳中？

在最近的一个项目中，团队需要将25W充电器集成到原本18W充电器的外壳中，外壳尺寸缩小了约26%。与此同时，还必须满足严格的热规范：在25°C 环境温度下，外壳表面2cm x 2cm 区域内的平均温度不得超过50°C。

虽然从热管理角度来看，增大充电器尺寸有助于散热，但这样会降低便携度，不符合用户需求。而增加散热气流虽也有利于散热，但由于内部存在电源电压，出于安全考虑，该方案被排除了。

可行性分析：确定可承受的最大热功耗

设计之初，研发团队首先要思考一个问题: 在现有条件下，充电器最多能承受多少热功耗？

为了解答这个问题，工程师需要确定当充电器外壳表面温度刚好达到极限值时，设备内部允许的最多热功耗是多少。

他们建立了一个简化模型，将充电器简化为四个基本模块——两个模块表示外壳主体，两个模块表示插脚，并假设内部功率分布均匀。随后，逐步增加功率消耗，直到模拟的外壳温度达到温度上限。

图1展示了充电器的外壳，以及理想情况下无热点的热模型。

仿真计算结果显示该充电器理论上最多可消耗2.7W热功率。由于输出功率必须达到 25W，这就要求效率η必须达到90.3%，否则外壳温度将超过安全限制。

初始设计分析，识别潜在热点

下一步，团队建立了新款充电器的初始设计模型，并模拟表面温度分布，以确定哪些区域可能会超过温度上限。

模拟结果表明，当设备内部热功耗达到2.91W时，外壳温度将明显超出温度限制。尽管如此，通过分析温度分布情况，工程师可以识别潜在热点区域，并对设计进行针对性优化。

建立PCB与元器件模型

在进一步建模时，工程师为所有功耗较大的关键元件建立模型，并特别考虑了电解电容。这些电容体积较大，不仅会影响整体的热行为，同时对温度也非常敏感，因此也要建模。

在电气设计中，有一个重要要求，高压输入侧与低压输出侧必须确保绝缘，因此，主PCB板上它们之间要留出足够的安全间距。由于辅面元件无法全部放在主板上，因此增加了一块小的PCB副板。

每块PCB采用四层结构。两层35µm外部信号层，两层70µm内部电源层，主要用于低压供电和接地。对PCB进行分层建模，但每层的材料特性采用平均值，信号层假设30%铜覆盖率，电源层假设70%铜覆盖率。

在早期设计阶段，团队需要决定如何对元器件进行热建模。大多数元器件被建模为具有均匀内部功耗和材料特性的单个块体，其数值依据元件的主要材料来确定。

仿真结果分析，识别关键热点

仿真结果表明，在初始设计下，外壳表面温度在多个区域超过了50°C限制，最高温度甚至达到了61°C。

通过热分布图，工程师发现了两个主要热点：

• 主板上的主MOSFET
• 副板上的SyncRec MOSFET（同步整流MOSFET）

这两个关键元件的位置如图4所示。此外，旁边的变压器功耗较高且发热明显，但由于体积更大，散热效果相对较好。

优化热设计，确定最终设计方案

要在客户要求的紧迫时间内，解决充电器过热问题并完成符合标准的热设计，这是一项团队紧密协作的工作。应用工程师负责元器件规格选择，并提供各元器件的功率估算；PCB 布局工程师负责优化电路板布局，而热设计工程师则提出热优化方案，并通过Simcenter Flotherm进行热仿真，分析各种改进方案的效果。

在这个过程中，所有相关工程师聚在一起，集思广益列出可行方案，然后热设计工程师在Simcenter Flotherm中逐一验证，再根据仿真结果，团队共同筛选可行方案。

这一过程循环进行了多次，不断优化，最终确定了PCB的最终布局，并在仿真验证通过后进行装配。

措施1: 电路与控制优化，降低功耗

由于最初设计中的总功耗过高，团队首先着手优化电路和控制策略，着眼于降低主MOSFET、变压器以及同步整流MOSFET的功耗。因为同步整流MOSFET能显著降低功耗，所以取代了传统整流二极管，但它需要同步整流IC提供驱动信号。

通过多轮优化，最终将充电器的总功耗从最初设计降低至 2.2W，效率达到91.9%。

由于该功耗低于理论最大值2.7W，只要能进一步降低外壳热点即可优化散热效果。为此，团队不仅对电路和控制进行了优化，还对元器件布局进行了大幅调整，使热量在充电器内部可以更均匀地散发。

措施2：调整元器件布局，降低局部发热

团队调整了元器件布局，将主MOSFET从主板顶部移到底部，远离变压器，从而分隔两个主要发热源。同时让MOSFET平贴在PCB上，以便增强散热效果。

随后将四只整流桥二极管移到主板顶部这导致主板上的一个大型圆柱电容器也需重新布局，最终采用侧面安装并抬离主板。

多路径散热设计，进一步提升散热效果

为了进一步提升散热效果，小型副板的尺寸被适当增大，同时调整了接线布局。

在变压器与副板之间，新增了一块垂直塑料隔板，用于将副板的热量导入主板，并进一步传导至变压器，从而帮助 SyncRec MOSFET 散热。

最后一个重要调整是将USB接口移至主板上。这样一来，在充电过程中，USB线缆也能作为散热路径，将热量带走；同样，充电器的电源插脚也会将热量传导到插座，从而进一步提升散热能力。

最终验证：温度降低10°C，成功满足设计要求

这些优化措施将同步整流MOSFET附近外壳的温度降低了10°C。接入USB线缆后，通过红外热成像仪测得结果显示，2cm × 2cm外壳区域的平均最高温度为48.8°C，成功满足了设计要求。

这一成果充分说明了热设计在电子产品开发中的重要性，并展示了Simcenter Flotherm在热分析和设计优化过程中的仿真分析价值。

最终设计的仿真结果与实物充电器外壳测得的最高温度和温度分布高度一致，因此不需要再进行任何设计返工。

如果最终设计未能满足要求，团队可以采用其他备选方案，比如，适当增大充电器的尺寸以改善外部散热，还可以采用更高成本的电子元器件，或者提高PCB的铜含量。然而，这些措施都会大大增加产品的最终成本。

借助Simcenter Flotherm，加速产品创新

在这个案例中，借助Simcenter Flotherm，NXP团队成功找到了成本最低、效果最佳的散热解决方案，在满足性能要求的同时，最大限度地控制了制造成本。

如果您想深入了解Simcenter Flotherm仿真解决方案及应用案例，欢迎拨打021-62157100或通过官网留言与我们联系！

关于上海坤道

上海坤道信息技术有限公司成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌和专家级（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD、Flotherm Flexx、Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、硬件定制开发和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。

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