第3章 热设计研发流程¶
需求信息的收集是后续所有工作行进的基础。热设计工程师需要根据产品的具体需求，通过经验公式的换算，或概要性的热流仿真，提出相关初步方案。需求分析（Requirement Analysis）的关键是快速高效，其给出的结论是非常粗略的，精度很有限。设计者必须在短时间内提供大体的设计思路，确定努力方向，减少试错方向，便于项目组在研发初期根据产品散热需求做出相应调整。
例如，设计一款室外基站，当应用场景不同时，设计的难点可能完全不一样。当产品应用在南北极时，环境温度在 \(-70 \sim -20^{\circ}C\) ，器件的热控制可能相当容易，但低温启动可能成为一大难题，产品内部需要预留合理的空间用来设计加热设备，保证产品的正常冷启动；当产品应用在中东的沙漠地带时，户外温度最高可以达到约 \(60^{\circ}C\) ，全年都在 \(35^{\circ}C\) 以上，冷启动完全不是问题，而器件的超温问题则成为关键难点。
又如，产品设计初期定义的功耗是 90W，而产品大小为 \(200mm \times 200mm \times 45mm\) 。通过简单的核算，此产品的功率密度达到约 50W/L，明显超过了常规自然散热方案可解决的范畴（<25W/L）。这时，在需求分析阶段就必须告知项目成员，此产品需要使用强制风冷设计。这一评估结果给项目组其他成员带来的影响如下：
从上面的影响可以看出，如果需求分析阶段无法给出合理的预估，产品按照自然散热的思路进行的话，那么到样机测试时会发现温度问题无法解决（或者需要使用极高的成本才能解决），项目组必须再将上述六项影响考虑在内，然后对产品进行重新设计。显然，这将浪费大量的物力人力，而且对于产品的交付周期会产生非常直接甚至不可挽回的负面影响。
建议热设计需求分析时间点：结构框架、硬件初步方案以及相关温度标准制
定开始时。
3.2 概念设计¶
概念设计（Concept Design）往往是和需求分析相辅相成的，并没有明显的区分。热设计工程师在结合产品的需求给其他项目成员提出概念性方案时，也需要考虑结构、电气等其他方面的建议。当产品不能通过简单的公式断定哪种方案可行时，就需要进行相对更加详细的方案探究。
概念设计需要更多的信息。相对需求分析来讲，这个阶段要细致得多。在这个阶段结束时，热设计工程师需要输出比较具体的热设计方案。通常，这个阶段热设计工程师需要与结构、硬件工程师通力协作，设计出各方都可兼容的方案。可以采用的技术手段通常有以下三种：
目前，随着计算机计算能力的提升，仿真建模分析已经相当便捷高效，其在概念设计阶段的作用越来越显著。然而热仿真过程中不可避免地会引入一些计算误差，包括芯片功耗信息误差，产品建模过程中的各项简化带来的误差，仿真所用数值模型固有误差等。因此，热仿真不可能完全替代样机测试。尤其对于传热与流体理论知识不甚扎实的工程师，需要对热仿真结果保持一定的怀疑态度（仿真建模中的设置繁杂细碎，有可能会出现错误或不合适的设置），热测试是最终验证设计方案是否通过的根本标准。
值得注意的是，在概念设计这个阶段存在一个信息时间差：热设计工程师要想提供基本方案，就必须获取产品结构、硬件等基本信息（如 3D 结构图、元器件布局图、各元器件功耗等），而此时，由于项目刚启动以及热风险的极大不确定性，结构、硬件工程师未必能给出这些具体信息。建议使用试错法（Trial and Error）推进产品设计：热设计工程师先确定哪些信息是标准、规范或从结构、硬件角度判断不能改变的信息，在这个边界限制下，对于可改变的信息进行假定，迭代计算，在与结构、硬件等工程师持续沟通的前提下提出方案。
这个阶段应该提出两个端点式方案：
作者认为，评估那些明显散热无法通过的方案是低效且不负责任的，因此在端点 1 中也建议热设计工程师先对结构和硬件提出的框架方案做一些基本改进后再行评估。端点 1 需要设计师了解常见散热物料的属性，相关方案施加难度以及通常情况下其带来的效果。而端点 2 的有效性和接受度（或者说找到方案的试错次数）则复杂很多。因为这些调整可能是非热学专业的（如加大开孔，加厚或减薄结构件，改变器件布局，改变单板敷铜含量和敷铜位置等），设计师需要了解更多力学、电气、机械加工工艺、声学等方面的知识。
建议概念设计时间点：基本结构草图已具备，且硬件有示意性方案时。
3.3 详细设计¶
经过需求分析和概要设计，产品的方案往往已经基本定型。此时，需要对设计细节进行完善，输出最终的设计方案，这就是详细设计（Detail Design）。在这一阶段，热设计工程师的工作包括：
从某种程度上讲，这一阶段基本确定了产品形态，后续的优化改进幅度相对较小。
建议详细设计时间点：项目组认可并倾向于概念设计阶段提出的基本方案之一后。
3.4 测试验证¶
测试验证（Test and Verification）是设计的重要组成环节。本书第 14 章将有详述。
从其他成员角度看，测试是验证产品外观、结构可装配、软硬件功能的重要手段，从热设计角度来看，测试扮演以下类似的角色：
建议测试验证时间点：在不影响其他设计方法进度的前提下，尽早启动，可以与其他设计阶段并行。
3.5) 回归分析¶
分析后期测试和先期计算结果的差别，摘出整个设计环节中由于计算粗略甚至错误而引入的误差，并通过进一步精细测试或计算把这种差别减小，从而将理论 / 仿真计算与后期实际测试结果对应起来，就是回归分析（Regression Analysis）。回归分析更多是为提高后续项目热设计效率服务的。
对于渐进式或家族式产品设计，回归分析能够有效持续细化设计。另外，多数情况下，回归分析中处理的误差包括测试误差、数值计算误差，先期结构、硬件误差是多方位的。因此，回归分析需要多个项目、多类工程师的协同才能完成。作者认为，回归设计是持续优化公司设计数据库，最终实现智能 / 自动化设计的必要举措。
建议回归分析时间点：测试验证完成后。
3.6 发布与维护¶
产品在量产以及后续现场使用过程中可能会反馈相关问题，需要结合具体场景进行定位分析，提出改善措施，这就是发布与维护（Launch and Maintenance）。量产和现场问题的处理，对于研发阶段的设计有非常关键的指导意义。设计者应当充分借鉴这些处理经验，在设计阶段尝试优化，尽量规避产品发布后出现的各类问题。
3.7 本章小结¶
无论作用如何重要，热设计都只是产品研发中的一个组成部分。协作和沟通对于最终产品的完成是非常重要的。不同专业的工程师之间对同一问题的见解很难统一，这对于产品的设计方向是不利的。沟通和协作就是让整个项目的工程师理解各方需求，避免因为对问题认知方向不一致导致设计失误。产品研发流程（或研发体系）就是这样一个协作机制，它通过发现产品设计中面临的难题来配置相应的资源，解决这些难题，最终开发出产品，并将产品研发过程中的有益经验积累下来，服务于未来的产品。产品研发体系是一个公司的核心竞争力之一，作为研发人员，理解和协助建设公司产品的研发机制是非常必要的。这有助于研发人员合理分配工作时间，确定沟通协作模式，甚至理解自己工作的意义和价值。
参考文献¶
[1] SHAMSI, AAMIR F, MUNTAZIR H A, et al. Samsung Note 7- An Unprecedented Recall That Created History: Exploding Phones Recovered-Exploded Trust? [J]. International Journal of Experiential Learning and Case Studies 2017, 2 (1): 44-57.
第 4 章¶
散热方式的选择¶
热设计开发流程中，第一步就是要确认产品需要使用哪种散热方式，以便在产品初期预留相应的设计空间。当前，电子产品冷却方式主要分为以下四类：
决定产品散热方式的三个主要因素是：①产品使用环境；②产品功率密度；③产品温度要求。因此，在产品立项开发初期，必须确认这三个边界条件，以便得出合理的结论。
4.1 散热方式选择的困难性¶
对于散热方式的精准选择，需要大量的工程实际设计经验。通常快速评估产品散热风险的依据有两个：①不同温升幅度下表面热流密度；②不同温升幅度下，产品的体积功率密度。由于细节的散热强化手段不同，因此即便对于同一类散热方式，其散热能力相差也非常大。如图 4-1 所示，以空气自然对流散热为例，当允许的表面温差为 \(40^{\circ}C\) 时，合理的热流密度范围为 \(0.015\sim0.035W/cm^{2}\) ，最大值比最小值高出 2 倍多。下面以一个具体的实例来阐述这一范围有多大。
产品热设计要求：
产品启动会议时，项目组要求热设计工程师根据上述信息现场粗略给出该产品支持的功耗，以便电子工程师进行电路板设计。
先根据表面热流密度来估算：
① 按照表面热流密度为 \(0.015\mathrm{W/cm}^2\) 计算： \(P = 0.015\mathrm{W/cm}^2 \times 2050\mathrm{cm}^2 = 30.75\mathrm{W}\)
② 按照表面热流密度为 \(0.035\mathrm{W/cm}^2\) 计算： \(P = 0.035\mathrm{W/cm}^2 \times 2050\mathrm{cm}^2 = 71.75\mathrm{W}\)
项目评审初期，在没有任何工程热设计经验的前提下，解决 100W 或许有难度，但似乎 70W 是有把握的。于是给到项目上的结论就是：70W 以内可以安全地