计算机CPU散热器的数值仿真分析

贺文杰 ,郭繁

摘要：随着芯片制造技术的发展，计算机CPU的功率越来越大，与此同时其发热功耗也越来越大，要保证CPU工作时不因温度过高而故障或进入高温自我保护模式，就需要CPU的散热器有更高的散热效率。市场上的CPU散热器五花八门，具体哪种散热形式具有更高的散热效率，就需要对CPU散热器进行具体分析。本文以市面上的一款CPU散热器为例进行分析，一方面分析CPU散热器上的热管数量多少对散热的影响；一方面分析CPU散热器上风扇的多少对散热的影响。通过采用有限元数字仿真的方法对CPU散热器进行分析。本次分析对CPU散热功率、CPU散热器的结构和散热器本身的材料进行参数假定，仅考虑热管数量和风扇数量对散热的影响。

关键词：数字仿真  有限元TDP功耗 CAD模型 CFD模型

集成电路制造技术的发展日新月异，其发热功率越来越大，在设计师努力降低功耗的同时，单位体积内集成的功能增多，热功耗不可避免的增大。计算机CPU作为集成电路的典型代表，其发热功耗从开始的几十瓦发展到现在的近二百瓦，这要求CPU的散热措施必须能跟上CPU的发展。CPU散热器就是专门为其提供散热服务的设备。

计算机的CPU散热器安装在计算机机箱内部，散热器上的散热基板紧贴CPU，基板与CPU之间通常会涂抹导热硅脂等材料提升两者之间的导热性能。本文通过数字仿真分析软件，以市面上出现的CPU散热器为例，探讨在该散热器结构下，不同数量的风扇和不同数量的热管对CPU散热的影响。

1简介

研究CPU散热就需要知道CPU的TDP功耗。TDP功耗一般指热设计功耗（ Thermal Design Power），直接翻译为散热设计功耗。热设计功耗是CPU电流热效应以及CPU工作时所产生的单位时间热量。

热设计功耗通常作为电脑主板设计、笔记本电脑散热系统设计、大型电脑散热/降耗设计的重要参考指标。热设计功耗越大，表明CPU在工作时会产生的单位时间热量越大，对于散热系统来说，需要将热设计功耗作为散热能力设计的最低标准，也就是散热系统至少能散出热设计功耗数值所表示的单位时间热量。

有限元法（Finite Elemeng Method）是将一种连续体视为若干个有限大小的单元体的离散化集合，以求解连续体热、力、电磁问题的数值方法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。

本次数字仿真就是利用有限元法对CPU散热器进行仿真分析，将建立的CPU散热器CAD模型进行网划分，划分为若干小的单元，并利用N-S方程进行热计算分析。

近年来，数值仿真作用越来越凸显，可以涉及热、振动等方面问题进行提前预判分析，在前期设计阶段就可以快速确定优化方案，得到合理可靠的数据支撑，也为后期产品的研制提供基础和验证。

2仿真分析方案

CPU散热器的散热分析，需要对CPU本身和CPU散热器的各部分逐个分析，然后制定仿真方案。

2.1 CPU的发热功率分析

CPU的参数会标出PL1、PL2、PL3和PL4四个级别。PL（Power Limit）,意思是功率极限，在CPU的参数介绍中PL1就是TDP功耗，CPU运行时的功耗在标称的PL1功耗之下时，其运行时不受限制的。而从PL2开始，就意味着CPU功耗超出TDP的范围，这个时候CPU一般是在TurboBoost频率下满载运行，按照英特尔的规范，CPU在这个功耗下可以维持最长100秒的持续运行时间，随后CPU会被限制运行频率，直至其功耗恢复至PL1以内为止。PL3和PL4就意味着更高的功率状态，仅能维持10毫秒的运行时间，但一般是禁用的。功耗超过PL4或者功耗逼近PL4时，系统就会进入自我保护模式了。表1是从官网查到的几款CPU的功耗参数。

表1几款CPU的功耗参数

CPU型号	PL1/TDP(W)	PL2(W)
i9-10900K	125	250
i7-10700k	125	229
i7-10700	65	224
i5-10600	65	134
i5-10400	65	134
i3-10320	65	90
i3-10100	65	90
i9-10900T	35	123
G6400	58	58
G5900	58	58

在本文中数字仿真时CPU的发热功率按照125W来设定。

2.2 CPU散热器分析

CPU散热器主要由基板、散热翅片、热管和风扇几部分组成。下面分别对几部分进行数值分析前的参数设定。

基板和散热翅片通常用铁、铝、铜等材料来制造的，本次仿真分析按照铝材料来进行计算。

热管的导热系数受到制造材料、折弯形状和长度等因素的影响导热率会有很大变化，导热系数的范围从10000W/m K到100000W/m K,本次分析，热管的导热系数按照10000W/mK来进行数字仿真。

风扇是CPU散热器的主要配件，风扇的作用是增大翅片周围的空气流动，提高换热系数。在仿真时有两种风扇参数设置方式，一种是导入P-Q曲线，一种是设置最大风压和最大流量。本次仿真设置风扇的最大风压为48Pa，最大流量为58cfm。

2.3 仿真方案

市场上的CPU散热器会根据热管数量多少和风扇多少来制定价格。本次仿真按照热管数量和风扇数量不同制定以下8种工作状况进行分析：

a)4根热管，没有散热风扇；

b)4根热管，1个散热风扇；

c)4根热管，2个散热风扇；

d)4根热管，3个散热风扇；

e)8根热管，没有散热风扇；

f)8根热管，1个散热风扇；

g)8根热管，2个散热风扇；

h)8根热管，3个散热风扇。

按照以上工况仿真分析得出，达到温度平衡后CPU的温度以及整体模型的温度分布。

3仿真建模

按照仿真方案建立CAD模型。表2是8种工况的CAD模型。

4仿真分析

此次数字仿真采用的软件是ANSYS公司的Icepak。将模型导入仿真软件后，对模型进行网格划分得到8种工况的CFD模型。图1和图2分别是其中两种工况的CFD模型。

设定仿真区域，模拟普通的计算机机箱，如图1所示。

图1仿真区域示意图

按照仿真方案设定CPU、基板、热管、散热翅片和风扇参数。设置重力方向，设置用湍流方程求解，通过监控残差曲线直至收敛。计算完成后得到各个工况的温度分布云图。

通过仿真云图可以看到，当没有风扇时，散热翅片的温度比较高，加上风扇时，散热翅片上的温度分布比较均匀。

5仿真结果分析

通过上述仿真，得到各方案CPU在不同散热器的散热情况下温度分布见图4-图11，具体数值如表3所示。

表28种工况的CAD模型

工况	CAD模型
a
b
c
d
e
f
g
h

图28热管2风扇的CFD模型

图38热管3风扇的CFD模型

图44热管/0风扇-温度分布云图

图54热管/1风扇-温度分布云图

图64热管/2风扇-温度分布云图

图74热管/3风扇-温度分布云图

图88热管/0风扇-温度分布云图

图98热管/1风扇-温度分布云图

图108热管/2风扇-温度分布云图

图118热管/3风扇-温度分布云图

表3CPU在8种工况下的温度（℃）

	4热管	8热管
0风扇	135.097	130.383
1风扇	50.560	46.687
2风扇	49.107	44.653
3风扇	48.623	44.228

从上表数据可以看出：

4根热管结构对比8根热管结构，其他条件不变的情况下，CPU温度下降大约在4℃左右（3.873℃~4.714℃）；

4根热管时，没有风扇比1个风扇CPU温度高84.54℃，1个风扇散热比2个风扇散热CPU温度高1.45℃，2个风扇散热比3个风扇散热CPU温度高0.48℃。

8根热管时，没有风扇比1个风扇CPU温度高83.69℃，1个风扇散热比2个风扇散热CPU温度高2.03℃，2个风扇散热比3个风扇散热CPU温度高0.43℃。

6 结论

从仿真结果可以看出，增加热管对CPU降温带来的效果比较明显。有风扇的散热器和没有风扇的散热器对CPU工作温度的影响是巨大的。但在结构不变时，风扇个数的增加对CPU工作温度的影响不大，尤其是从2个风扇增加到3个风扇。而且风扇安装需要考虑位置、噪声、振动、防尘等因素影响，在风冷散热系统中选择风扇的个数及串并联方式时还需要综合考虑系统阻力等各种因素。

参考文献:

[1] 李庆友,王文，周根明.电子元器件散热方法研究.电子器件[J]，2005,28(4):937-941

[2]陶文铨.数值传热学（第二版）。西安。西安交通大学出版社，2001

[3]GJB/Z 27-1922电子设备可靠性热设计手册