淺談筆記本電腦熱布局的優(yōu)化設(shè)計
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
摘要：本文從不同角度提出了筆記本電腦的熱布局優(yōu)化設(shè)計方案。在介紹了熱電模擬理論的基礎(chǔ)上，對電腦中主要模塊的散熱問題和各個模塊的散熱進行了熱阻模擬。同時，用熱阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了筆記本電腦各主要模塊間散熱的熱阻模型。通過對筆記本電腦和外界之間的熱阻路徑的分配，實現(xiàn)筆記本電腦中各個模塊和外界溫差最小，從而使得各個模塊散發(fā)的熱量能夠盡快地通過最小的熱阻路徑散發(fā)到外界。
論文關(guān)鍵詞：熱布局,熱電模擬,熱阻路徑,遺傳算法
怎樣消除電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量越來越成為電子設(shè)計不可忽視的問題，從而引發(fā)了對電子設(shè)備散熱的大量研究，近些年來也提出了一些有效的熱布局模型�；跓醾鲗�(dǎo)模擬機制，提出了一種強制風冷布局算法[1]，不足的是它沒有將熱傳遞考慮進去。Deb K. 和其他一些學者提出了印刷電路板上電子元器件的散熱優(yōu)化布局模型，并采用進化算法解決電子元器件的多目標布局問題[2]。此外，還提出了其他一些布局模型 [3], [4], [5]。但是，這些模型應(yīng)用于優(yōu)化印刷電路板或芯片組是有一定的局限性。 在本文中，建立了一個關(guān)于熱傳遞的模型來解決優(yōu)化問題，它既適用于印刷電路板級也適用于整個系統(tǒng)級。該模型要涉及一些實驗值，如熱阻值和熱傳導(dǎo)系數(shù)。這種方法通過全局優(yōu)化算法，解決了電子設(shè)備的最優(yōu)熱阻分配問題，從而可以找到一條最優(yōu)的散熱路徑。
1.1 熱電模擬基礎(chǔ)理論
電子功率元器件所產(chǎn)生的熱，通過熱傳導(dǎo)擴散到周圍環(huán)境中。熱傳導(dǎo)過程可以通過公式
推導(dǎo)出來，其中，
為熱傳導(dǎo)系數(shù)，
為傳導(dǎo)面積，
為絕對溫度。假設(shè)一塊無限長的金屬平板, 它的熱傳導(dǎo)公式可以寫為 
。從公式可以看出，熱流量與熱阻值
成反比，而與溫差
成正比。
為板子的寬度。
在電子領(lǐng)域歐姆定律是眾所周知的，表示為
，
為電流(單位A)，
為電位差(單位V)，
為阻值(單位
)。考慮到熱傳遞和電荷轉(zhuǎn)移在數(shù)學上的相似性，可用一個等效電勢網(wǎng)絡(luò)來解決復(fù)雜的熱傳導(dǎo)問題。
表1 熱電模擬
Tab.1 Thermo-electric analogy
熱領(lǐng)域
電子領(lǐng)域
: 熱阻
: 電阻
: 熱流量
: 電流
: 溫差
: 電勢差
這些變量的對應(yīng)關(guān)系就成為熱電模擬。本文中，假定電子元件的熱阻已知，并且熱通道被任意的節(jié)點分成很多區(qū)域。這些節(jié)點代表元件附近的溫度。幾個節(jié)點被選定，它們間的通道由熱阻確定下來。
在此，我們給出了一個由金屬底片、功率元件和散熱片所組成的一個散熱模型。假定散熱片的熱阻為
，內(nèi)部芯片的熱阻為
，金屬片熱阻為
和接觸熱阻為
。等式(1)表示了熱傳導(dǎo)過程，這里不考慮對流的情況。
(1)
其中, 
等于功率元件的功率
。 上式可以寫為如下形式：
(2)
其中，
為熱傳遞系數(shù), 
為熱阻。根據(jù)材料的特性和相關(guān)的熱計算公式，我們也可以計算出在熱層流和湍流情況下的熱阻。
1.2 筆記本電腦的基本熱傳導(dǎo)模擬
在這一部分，我們采用一種基于上述表述的分析模型來精確優(yōu)化在初期階段的熱擴散。由于印刷電路板上元件的復(fù)雜性和多樣性，如電容、二極管和晶體管等，目前還無法給出一個細致的模型。本文提出了一種簡便的推導(dǎo)算法，把功率元件作為一個與它本身傳導(dǎo)率相同的立體單元。同樣，把印刷電路板看作一個具有等效電導(dǎo)率的平面板。為了建立一個簡單、易行的模型，我們忽略了一般元件，并把它們的功耗增加在印刷電路板中。此外，接觸熱阻也只考慮CPU上下面的硅膠。由于溫差較小，我們也忽略了內(nèi)部的熱輻射。
各器件上產(chǎn)生的熱量和熱值必須獲知，溫差的設(shè)計上線也必須被約束。各模塊的溫度必須保持在溫度范圍界限之內(nèi)。我們能夠建立熱傳導(dǎo)方程(如下式(3)所示)來反映熱網(wǎng)絡(luò)模型上的各節(jié)點的溫差。
（3）
其中, 
,
為節(jié)點的序數(shù), 
表示各節(jié)點產(chǎn)生的熱量。
為相鄰節(jié)點的熱阻矩陣。優(yōu)化的意義在于通過分配合適的熱阻位置來維持最小溫差，從而保持恒定的熱平衡。
2 遺傳算法熱布局的應(yīng)用
2.1 遺傳算法
遺傳算法是一種自適應(yīng)、全局搜索算法。它是基于生物遺傳和進化理論提出的。遺傳算法有很多優(yōu)點，如自適應(yīng)，人工智能和較強的魯棒性等。它所優(yōu)化的目標不是參數(shù)本身而是參數(shù)的編碼。運算并行性也是遺傳算法另一個重要的特點。
3.1.1 編碼策略
在遺傳算法中，必須對優(yōu)化目標進行編碼作為染色體，編碼方式很多如二進制編碼，實數(shù)編碼，格雷碼等。在帶約束優(yōu)化問題中，實數(shù)編碼已經(jīng)被證實具有比二進制編碼和格雷碼更好的性能[8]。在本文中，我們正是采用了實數(shù)編碼。每個變量用一個實數(shù)代表熱源和發(fā)熱量。文中染色體的長度等于變量的個數(shù)。這些參數(shù)寫成一個有序向量的形式。一個有序向量標示著由總傳導(dǎo)熱量引起溫差的一個狀態(tài)。然后，在實數(shù)編碼的基礎(chǔ)上進行遺傳算法操作。
3.1.2 生成初始群體
在搜索前應(yīng)該先產(chǎn)生一個初始群體。作為一種隨機優(yōu)化算法，其顯著特點是各個體被隨機復(fù)制以保持樣本的多樣性。該初始群體就是父代樣本，并計算它們的適應(yīng)度值。當前群體的染色體被其后代樣本按一定的策略替換。
3.1.3 計算適應(yīng)度
適應(yīng)度是評價遺傳算法進化的標準。 目標函數(shù)是計算各染色體狀態(tài)的主要依據(jù)。通常采用目標函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)。本文我們研究的對象是筆記本電腦各模塊間的溫差。故我們采用式(4)作為目標函數(shù)。用染色體代表熱源和模塊散發(fā)的熱量，作為式
的輸入，其最小值為最終的進化目標。對應(yīng)于最小溫差的有序向量是遺傳算法對熱布局所優(yōu)化結(jié)果。
3.1.4 選擇算子
模仿自然界的適者生存原則進行選擇操作。對于隨機產(chǎn)生的初始群體，父代中適應(yīng)度值越大的個體復(fù)制到下一代的幾率越大。近年來產(chǎn)生了很多選擇策略。本文中采用了預(yù)值模型和最優(yōu)保持策略。
3.1.5 交叉算子
兩個染色體的交叉可以產(chǎn)生新的個體。常用多點交叉策略來產(chǎn)生新個體。一個染色體中的多個基因與另一個染色體的多個基因互換。為了克服選擇操作中的最優(yōu)保持策略導(dǎo)致的遺傳算法全局搜索能力的下降，本文采用了兩點交叉的方法。
常用的交叉概率為0.5<
<1.0。本文取
=0.8。
3.1.6 變異算子
變異操作往往用于防止早熟現(xiàn)象。出了常用的變異操作外，在文中我們還采用了大變異的策略。它可以隨機創(chuàng)造更多新的獨立個體，可以保持個體的多樣性，從而有效抑制早熟現(xiàn)象。常用的變異概率為0.001<
<0.1。在本文的算法中采用
=0.01。
3.2 仿真結(jié)果和分析
主要模塊散發(fā)的熱量可以測量獲得，或由元件的說明書知曉。筆記本電腦主要模塊上功率元件的分布可以由表2數(shù)據(jù)提前預(yù)測。熱源的總功耗等于器件散發(fā)的熱量總和。因為元件的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著尺寸和溫度的變化而變化，在文章中沒有固定的估計值。
表2 各主要模塊的功率分配
Tab.2 Power allocation of major modules
熱源 (W)
熱擴散 (W)
CPU
3.3
Key Board
4.2
RAM memory
2.4
Top Chassis
2.4
PC card
3.5
Bottom Chassis
3.2
Power
2.5
LCD Cover
2.1
DC/DC converter
2.3
Others
2.1
和散發(fā)的熱量采用遺傳算法進行優(yōu)化，我們可以分別獲得由熱源引起的最小溫差
和由熱發(fā)散點引起的最大溫差
。
根據(jù)表2中結(jié)果，我們合適地分配熱阻路徑，從而選擇合適的導(dǎo)熱材料和散熱器件來控制筆記本電腦與環(huán)境的溫差，使其達到了電子設(shè)備穩(wěn)定工作所要求的門限溫差。這也證明了本文方法的有效性。
4 結(jié)論
在熱電模擬和恒溫領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，本文采用遺傳算法對筆記本電腦的熱阻布局進行了優(yōu)化�；谶z傳算法的優(yōu)化結(jié)果，我們采用合適的熱傳導(dǎo)器件使溫差達到了最小，從而保證了筆記本電腦的穩(wěn)定工作。該算法對其他電子設(shè)備同樣適用。這一簡化模型雖然僅是在熱阻的基礎(chǔ)上建立的，并且沒有考慮熱輻射的問題，但是在對實際的熱設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
參考文獻：
Craig, B., Jo, D.C., Alfonso, O.: MCM Placement Using A Realistic Thermal Model. In Proceedings of the 10th Great Lakes symposium on VLSI, (2000) 189–192
Li, Q.H., Palusinski, O.A.: Application of Multiobjective Optimization in Selection of Printed Wiring Boards. IEEE Transcations on Advanced Packaging, Vol. 26, No. 4, November (2003) 425–432
Tang, W.H., Wu, Q.H., Richardson, Z.J.: Equivalent heat circuit based power transformer thermal model. .IEEE Pros-Electr. Powr. Appl., Vol. 149, No. 2, March (2002) 87–92
上一篇:探析Viterbi改進算法
下一篇:探析我國支線航空的發(fā)展
