一种PCB板电子元件热布局优化方法

本发明涉及pcb板电子元件布局的热设计，具体涉及一种pcb板电子元件热布局优化方法。

背景技术：

1、近年来，电子技术的发展极其迅速，电子设备的应用场景也越来越广泛；随着时代的发展，人们对电子设备的使用效率和性能的要求更高了；在这种需求导向下，电子设备朝着精密化、便携化、微型化、功能多样化的方向发展，电子设备的结构越来越复杂，设备内部电子元件的数量越来越多，排布越来越密集，这样会导致电子设备的功率增加，电子设备的安全性、可靠性和稳定性降低；当电子设备在工作时，会通过与空气对流换热来散发热量；因此，在进行电子设备的热设计时，需要通盘考虑各个电子元件所处的位置，增加电子设备的安全性，尽可能地降低电子设备工作时需要承受的压力和风险，避免电子元件长期在高温环境下工作时，由于材料的内部结构发生变化导致芯片的性能下降甚至完全失效的问题；通常情况下，芯片在高温环境下工作的时间越长，出现热失效的概率就越大；目前，电子设备的热设计和安全性问题是相关领域研究人员的一个主要的探索方向，同时也受到人们的广泛关注。

2、而在pcb板的热设计中，目前还没有系统的方法解决电路板上电子元件的布局优化问题；为了降低pcb板上电子元件的最高温度，优化热设计的方案。

3、因此，本发明设计了一种pcb板电子元件热布局优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计能够降低了pcb板和元器件的工作风险，提高了电子设备的工作效率的一种pcb板电子元件热布局优化方法。

2、为了达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种pcb板电子元件热布局优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1、构建pcb板与电子元件的模型，设定各个参数；对整块pcb板进行均匀网格的划分，把网格的中心看作节点，每个节点都位于对应电子元件的中心处，分析各节点之间的相互传热以及节点与流体之间的对流换热；每一个节点都有一个坐标与其对应；

4、s2、对单形进化算法进行离散化改进，通过采用改进后的离散单形进化算法计算得出pcb板电子元件布局，并随机选取一种布局方式；

5、s3、基于有限元法与微元体热平衡法，通过matlab计算出s2布局方式对应的每个电子元件对应节点的温度值；

6、s4、采用热仿真软件icepak构建初始布局的模型，设定参数，进行划分网格，求解计算，后处理；

7、s5、采用改进后的离散单形进化算法在多次的迭代次数下搜索出最优解，并得出最优解所对应的各个电子元件的温度值；

8、s6、再次使用icepak将优化后的布局进行仿真，验证算法的有效性。

9、进一步的，s2中，基于有限元法与微元体热平衡法，随机选取一种布局方式作为pcb板电子元件优化问题的初始解具体操作如下：

10、初始化搜索空间，将m个粒子通过均匀分布的方式进行随机定位；m个粒子在整个空间rn中随机选点，进行初始化，

11、

12、式中，表示搜索空间rn中的第i个粒子在第k个维度上的位置，rand(0,1)是在区间[0,1]上产生的随机数，是搜索子空间的上界，xk是搜索子空间的下界；

13、将初始化的粒子转化为电子元件的排序。

14、进一步的，将初始化的粒子转化为电子元件的排序具体如下：

15、初始化的每个粒子都有16个节点，每个粒子对应一个优化问题的解；将16个节点按照从小到大的顺序进行排序，最小值对应的节点的序号为1，依此类推，最大值对应的节点的序号为16；在原来的数组中，将每个节点的值转化为对应的序号；这样得出的节点顺序等效于pcb板上16个电子元件的排列顺序。

16、进一步的，s3中，基于有限元法与微元体热平衡法，通过matlab计算出每个电子元件对应节点的温度值，具体步骤如下：

17、s3.1、确定节点是位于内部节点、位于直线边界还是位于直角边界；

18、s3.2、当节点位于内部节点时，节点处热量表达式为：

19、qi+1,j+qi-1,j+qi,j+1+qi,j-1+q∞+qp+qi,j＝0

20、s3.3、当节点位于直线边界处时分为x轴方向和y轴方向；

21、当节点位于x轴方向上时，节点(i,j)热量表达式为：

22、qi+1,j+qi-1,j+q∞x+qi,j-1+q∞+qp+qi,j＝0

23、当节点位于y轴方向上时，节点(i,j)热量表达式为：

24、应改为q∞y+qi-1,j+qi,j+1+qi,j-1+q∞+qp+qi,j＝0

25、s3.4、当节点位于直角边界处时，节点处热量表达式为：

26、q∞y+qi-1,j+qi,j+1+q∞x+q∞+qp+qi,j＝0

27、式中，qi+1,j为节点(i+1,j)导入节点(i,j)的热量；qi-1,j为节点(i-1,j)导入节点(i,j)的热量；qi,j+1为节点(i,j+1)导入节点(i,j)的热量；qi,j-1为节点(i,j-1)导入节点(i,j)的热量；q∞x表示当边界节点位于x轴方向上时，节点(i,j)与空气对流换热交换的热量；q∞y表示当边界节点位于y轴方向上时，节点(i,j)与空气对流换热交换的热量；q∞为节点(i,j)与周围流体发生对流换热产生的热量，qp为pcb板流入节点(i,j)的热量，qi,j是节点(i,j)在单位时间内产生的热量。

28、进一步的，s5中，对单形进化算法进行离散化改进，采用改进后的离散单形进化算法在一定的迭代次数下搜索出最优解具体如下：

29、在寻找最优解的优化过程中，每次迭代均使用不同布局方式，使16个电子元件的位置不相同，而16个电子元件的位置变换是通过改变元件对应的功率的排列顺序来实现的；根据有限元法与微元体热平衡法的相关理论得到寻找最优解的评价函数；

30、进一步的，所述评价函数是计算pcb板上温度最高的电子元件的函数，表达式为：

31、timax＝{max(ti,j)}。

32、式中，timax表示pcb板的最高稳态温度值；ti,j表示节点(i,j)的温度值。

33、进一步的，s5中，所述最优解是通过比较电子元件不同的布局方式对应的评价函数结果得到的，找到评价函数结果最小值对应的电子元件的排列方式，即获得最终的优化位置。

34、本发明的有益效果是：

35、本发明从离散单形进化算法优化前后的结果可以看出，pcb板上电子元件的布局方式会影响温度分布；根据在相关领域以往的经验，电子元件的功耗这个因素对电路板的最高温度值的影响是决定性的；将电子元件布置在合理的位置有利于降低最高温度，功耗较大的元件分散布置，且分布在pcb板边缘的位置，这样的布局方式会一定程度上降低部分甚至全局的电子元件的温度；

36、本发明将pcb板的最高稳态温度值timax作为评价指标，通过离散单形进化算法优化后的电子元件的布局方式正好印证了电子元件布局方式的普适性规律；故采用离散单形进化算法对电子元件的布局方式进行优化可以提高电子设备的工作效率和安全性，具有重大的意义。