嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计

摘要

现代电子器件的集成化程度越来越高，导致系统功耗日益增加。同时，伴随功耗带来的散热问题已成为制约电子设备发展的主要因素之一，过高的系统工作温度将导致整个系统工作不稳定甚至失效。 本文在对国内外功耗散热研究状况和发展现状进行研究的基础上，首先探讨了功耗散热的来源问题，从功耗和热分析控制技术的角度对目前功耗散热的设计方法及思想和相关的设计流程进行综述，着重研究了当前低功耗设计的层次性设计思路以及各个层次上主要的设计方法和功耗模型；对热控制技术和系统散热的形式及其规律进行了研究，分别得出各自不同的散热定律；并对常用的数值计算方法进行研究。随后，分别应用有限体积法和有限差分法理论，建立计算机机箱的温度场模型和热阻优化模型。设计基于PCI9112数据采集卡的多路温度测试平台，建立计算机机箱的温度场模型，对其散热状况进行了试验模拟，并运用热分析软件Flotherm对其温度场分布进行数值验证仿真。在热路分析理论即热电模拟的基础上，借助多路温度测试平台完成对通用散热器件的模拟散热试验，比较了在不同工况下的散热器的工作情况，并加以对比研究，同时计算热阻验证。最后，应用有限差分法建立了机箱的热阻网络模型，提出了基于热电模拟理论的热阻网络优化方法，同时在阐述遗传算法原理的基础上，应用遗传优化算法对机箱的热阻网络优化。

目录

文摘

英文文摘

西安电子科技大学学位论文创新性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1功耗散热研究的背景和意义

1.2功耗散热及优化设计研究的现状

1.2.1当前功耗散热研究现状

1.2.2功耗散热优化算法的应用

1.3本文的主要工作及论文安排

第二章功耗散热设计技术及温度场求解理论

2.1功耗散热问题的来源

2.1.1静态功耗

2.1.2动态功耗

2.1.3短路功耗

2.2功耗设计的方法和流程

2.2.1低功耗设计综述

2.2.2低功耗设计的流程

2.3热分析及其控制技术

2.3.1热分析设计策略研究

2.3.2先进的热控制技术

2.3.3电子设备散热设计

2.4温度场求解的数学理论依据

2.4.1热量传递的基本定律

2.4.2传热稳态方程

2.4.3温度场的数值解法

2.5本章小结

第三章功耗散热测温平台

3.1测温平台概述

3.2硬件部分

3.2.1传感测温、冷端补偿部分

3.2.2放大调理及K/T转换电路

3.2.3 PCI9112数据采集板及其工作模式设定

3.2.4温控部分及接口电路

3.3软件部分

3.3.1软件系统开发环境

3.3.2软件设计

3.4本章小结

第四章计算机系统温度场数值仿真

4.1数值法建立温度场模型

4.1.1软件介绍

4.1.2建模流程

4.2机箱的温度场散热分析

4.2.1热模拟所用参数

4.2.2建立机箱散热模型

4.2.3机箱温度场分析验证

4.3散热器件的特性分析

4.3.1热电模拟理论

4.3.2实验装置及理论来源

4.3.3测量结果及分析

4.3.4半导体致冷芯片特性研究

4.3.5 PTC加热特性研究

4.4本章小结

第五章计算机系统功耗散热优化分析

5.1遗传算法的理论基础

5.2遗传算法的热分析数学模型

5.2.1问题的意义

5.2.2模型的数学描述

5.3遗传算法优化计算和分析

5.3.1优化结果对比

5.3.2优化结果与机箱温度场对比

5.4本章小结

总结语

致谢

参考文献

硕士在读期间发表的论文