CN105138728B - 一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法,包括元件放置阶段及元件调整阶段,本发明将基板划分为多个大小相等的正方形网格,以基板区域为计算域,数值求解基板区域的温度分布,分析已有电子元件布局,根据温度分布,将待放电子元件放入可放元件区域中温度最低的网格,并记录放入的顺序,然后进入元件调整阶段,具体是将电子元件按照放入顺序取出,每取出一个电子元件,均重新计算基板的温度分布,确定可放元件的区域,将取出的电子元件放入温度最低的网格,得到最优布局。本发明具有优化过程简单、优化速度快、性能指标好、扩展性高、实用性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子元件优化排布方法,特别涉及一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法。
背景技术
随着微电子技术的发展,电子器件的体积越来越小,热流密度越来越大,散热问题已经成为电子器件微型化的瓶颈问题之一。电子器件由许多大大小小的电子元件组成,这些电子元件在工作过程中持续产生热量。若这些热量不能被及时带走,将使器件整体温度升高,超过温度阈值将对器件造成破坏,影响仪器设备的正常工作,严重时还会造成安全事故。另一方面,一些元件、仪器、设备,如电子芯片、LED灯等,对温度均匀性有较高的要求,温度不均匀将产生局部高温,破坏器件的一致性,最终导致整体性能的下降。因此,需要采用合适的强化换热技术,高效地带走电子器件在工作过程中产生的热量,使其在合适的温度范围内工作,从而保证电子设备安全正常地运行。目前,对于微型电子器件的散热,主要是在基板上填充高热导率材料(如石墨、碳纤维等)构造高效导热通道将元件产生的热量高效地导出。采用构型理论、仿生方法、组合优化算法(遗传算法、模拟退火算法)等优化方法对高热导率材料在基板中的分布进行优化,可以达到优化热量传递过程,降低基板和电子元件温度的效果。然而,优化得到的高热导率材料分布往往比较复杂,在实际工程应用中,严格按照优化结果加工高热导率材料的分布十分困难,因此通过填充高热导率材料难以达到预期的传热效果。此外,高热导率材料的填充和加工也大大提高了电子器件的成本,在一定程度上影响了器件在实际应用中的经济效益。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法。
本发明采用如下技术方案:
一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法,包括如下
S1进行元件放置,具体如下:
S1-1将放置电子元件的基板划分为多个大小相等的正方形网格,每个网格为电子元件允许放置的位置;
S1-2将基板上的电子元件等效为热源,以基板区域为计算域,数值求解温度控制方程,得到基板区域的温度分布;
S1-3分析已有电子元件布局,结合待放电子元件的大小,确定可放元件区域及不可放元件区域;
S1-4根据S1-2计算的温度分布,将一个待放电子元件放入可放元件区域中温度最低的网格中,同时标记该电子元件放入基板的顺序;
S1-5重复S1-2~S1-4,直到待放电子元件的数量达到指定数量,然后转到S1-6,否则返回步骤S1-2
S1-6针对S1-5结束时得到的元件布局,计算基板区域的温度分布,评估该布局的目标函数值,将得到的元件布局及目标函数值记录为最佳布局信息,放置阶段结束;
S2进行元件调整阶段,具体如下:
S2-1按照S1-4中电子元件放入基板的顺序依次取出电子元件,每取出一个电子元件,均重新计算基板的温度分布;
S2-2分析基板上已有电子元件布局,结合待放元件的大小,确定可放元件的区域;
S2-3将取出的电子元件放在可放元件区域中温度最低的网格;
S2-4计算调整后基板区域的温度分布,评估布局的目标函数值,与S1-6记录的最佳布局信息进行比较,优于则更新最佳布局及其目标函数值;
S2-5 S2-1至S2-4为一次布局调整,当布局调整次数达到指定调整次数时,停止调整,并记录最佳元件布局为最终的电子元件传热优化排布。
S1中的基板不含电子元件时,温度场为均匀温度场,首个待放电子元件放置位置需要人为确定。
所述最终的电子元件传热优化排布的目标函数值包括区域最高温度、区域平均温度或区域温度标准差
区域最高温度的计算公式为:
其中Tmax为区域的最高温度,Ti为区域离散后中第i个位置的温度,N为区域中考察温度的位置数量。
区域平均温度的计算公式为:
其中Tmean为区域的平均温度。
区域的温度标准差来表征,计算公式为:
其中σT为温度的标准差。
所述将基板上的电子元件等效为热源,所述热源具有热源面积和热源强度,其中热源面积等于电子元件在基板上占有的面积,热源强度为电子元件发热功率除以热源面积。
放入基板的电子元件试放在基板的每一个网格中,若该元件与基板中已有的任一元件重叠时,该网格定为不可放元件网格,否则定为可放元件网格,当遍历所有网格时,每个网格都被定为可放元件网格或者不可放元件网格,可放元件网格合起来称为可放元件区域,不可放元件网格合起来称为不可放元件区域。
本发明的有益效果:
(1)优化过程简单:提出的算法在优化过程中,主要有三个关键技术步骤。一是根据已有电子元件布局和待放元件的大小标识可放元件区域;二是根据电子元件的位置及基板的边界条件计算基板温度场;三是将待放元件放置在可放元件区域中的温度最低的网格,整个优化过程实施简单,不含复杂的计算方法;
(2)优化速度快:算法的主要计算量来自基板的温度场计算。温度的控制方程为纯扩散方程,不含对流项,计算速度快。优化过程中温度场的计算次数为元件布局中元件个数的量级,计算次数少,因此在较短的时间内就能得到电子元件的优化布局;
(3)性能指标好:当作为热源的电子元件放置在基板上时,会引起基板全场温度的升高,其中加入的元件所在位置的温升最大,因此,贪婪算法的优化准则选为将电子元件放入温度场中最低温度的位置,采用此准则有望减小全场的最高温度,同时减小基板的温差,达到改善温度均匀性的目的。鉴于上述优化准则与优化目标(基板最高温度最低、平均温度最低或者温度标准差最小)并不完全一致,元件放置阶段得到的布局不一定是全局最优解,因此算法包含了元件调整阶段,通过反复调整每个电子元件的位置,进一步提高元件布局的传热性能。因此,采用提出的算法可以得到传热性能良好的电子元件布局;
(4)扩展性好:本发明的优化准则仅仅涉及基板的温度分布,与基板的形状、物性参数和散热条件无关,同时也不受元件的形状和发热量的影响,因此,所涉及的算法可扩展至类似问题的求解,包括非规则形状的基板、非均匀热导率的基板、各种复杂的散热条件、不同形状和大小的电子元件等;
(5)实用性强:本发明研究电子元件的传热优化排布问题,与现有技术相比,本发明研究成果不需要引入额外的材料和加工费用,仅需调整电子元件的布局,具有较强的实用性,可用于指导电子元件的布局设计,在不增加成本的基础上改善电子元件的传热性能,达到降低元件温度和提高温度均匀性的目的。
附图说明
图1是本发明的工作流程图;
图2是本发明实施例的基板计算区域示意图;
图3是本发明实施例中得到的电子元件优化布局
图4是本发明实施例中的电子元件的均匀布局。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法,包括元件放置阶段及元件调整阶段,根据给定的条件,所述条件包括基板形状、材料、散热边界、电子元件的形状、个数、发热量等,然后基于温度场数值计算,通过电子元件逐个加入温度最低的位置,得到传热优化对应的元件布局,并采用逐个调整元件位置的方式,提高元件布局的传热性能。
本实施例采用的基板面积为0.1m×0.1m,长L为0.1m,热导率(k)为1W/(m K),如图2所示;基板下方边界有一个宽度(δ)为0.001m的热层,温度(T0)为298K,其余边界绝热;在基板中加入20个0.01m×0.01m的电子元件,每个元件的发热功率均为1W。采用本发明求解这个电子元件传热优化排布问题,优化目标为基板最高温度最小化,布局调整次数为每个电子元件调整3次,即总共调整60次。
如图1本发明的流程图,具体步骤如下:
S1进行元件放置,具体步骤如下
S1-1将放置电子元件的基板划分为大小相等的正方形网格,每个网格为电子元件允许放置的位置。网格的状态分为可放元件和不可放元件两种。
S1-2以实施例中的基板区域为计算域,将基板上已有电子元件等效为热源,根据基板的物性和散热边界条件,采用数值求解温度控制方程得到基板计算区域的温度分布;
S1-3为了保证电子元件相互之间不重叠,根据已有电子元件布局和待放元件的大小,将全场划分为可放元件区域和不可放元件区域。将下一步放入基板的待放电子元件试放在基板的每一个网格中,若该元件与基板中已有的任一元件重叠时,该网格定为不可放元件网格,否则定为可放元件网格。当遍历所有网格时,每个网格都被定为可放元件网格或者不可放元件网格。其中可放元件网格合起来称为可放元件区域,不可放元件网格合起来称为不可放元件区域。确定了可放元件区域后,执行步骤1-4。
S1-4根据S1-2计算得到的温度分布,将一个待放电子元件放入可放元件区域中温度最低的网格中,同时标记每个电子元件放入基板的顺序。当基板中不含电子元件时,全场温度均匀,此时需要人工确定首个元件的位置。将首个电子元件放在热层中心,此处散热条件最好。
S1-5重复S1-2~S1-4,直到待放电子元件的数量达到指定数量,然后转到S1-6,否则返回步骤S1-2。
具体为,当放完第一个待放电子元件后,重新计算包含第一个待放电子元件的温度场,确定可放元件区域及不可放元件区域,将下一个待放电子元件放入可放元件区域中温度最低的网格,同时标记该电子元件放入基板的顺序,重复此步骤,直到所有待放电子元件放置完毕。
S1-6,针对S1-5结束时得到的元件布局,计算基板区域的温度分布,评估该布局的目标函数值,将得到的元件布局及目标函数值记录为最佳布局信息,放置阶段结束;
S2进行元件调整阶段,具体如下:
S2-1按照S1-4中电子元件放入基板的顺序依次取出电子元件,每取出一个电子元件,均采用数值方法,重新计算基板的温度分布;
S2-2与S1-3步骤相同的方法,分析基板上已有电子元件布局,结合待放元件的大小,确定可放元件的区域;
S2-3将取出的电子元件放在可放元件区域中温度最低的网格;
S2-4计算调整后基板区域的温度分布,评估布局的目标函数值,与S1-6记录的最佳布局信息进行比较,优于则更新最佳布局及其目标函数值;
S2-5 S2-1至S2-4为一次布局调整,当布局调整次数达到指定调整次数时,停止调整,并记录最佳元件布局为最终的电子元件传热优化排布。
本实施例指定的每个电子元件的调整次数为3次,调整阶段结束后,记录的最佳布局为最终的优化排布。
所述的目标函数可以是区域的最高温度、平均温度或者温度的标准差,三者的计算公式如下。
区域最高温度的计算公式为:
其中Tmax为区域的最高温度,Ti为区域离散后中第i个位置的温度,N为区域中考察温度的位置数量。
区域平均温度的计算公式为:
其中Tmean为区域的平均温度。
区域的温度均匀性用温度的标准差来表征,计算公式为:
其中σT为温度的标准差。
图3显示了本发明优化得到的电子元件优化布局及对应的温度场。图4为电子元件为均匀布局时对应的温度场。图中,方框表示电子元件。可以看到,优化后电子元件倾向于集中在散热条件较好的热层附近,优化后热点温度(最高温度)显著下降,温度场均匀性也得到明显改善。优化布局和均匀布局的热点温度分别为329.5K和337.5K,优化后热点温度下降了8.0K;二者的温度标准差分别为1.3K和3.3K,标准差减少了60.6%。此外,优化过程仅需进行大约20+60×2=140次温度场计算,在个人计算机上的计算耗时约为10分钟。由此可见,该算法能在较短的时间内得到电子元件的优化布局。该实例验证了本发明对于电子元件传热优化排布的有效性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法,其特征在于,包括如下
S1进行元件放置,具体如下:
S1-1将放置电子元件的基板划分为多个大小相等的正方形网格,每个网格为电子元件允许放置的位置;
S1-2将基板上的电子元件等效为热源,以基板区域为计算域,数值求解温度控制方程,得到基板区域的温度分布;
S1-3分析已有电子元件布局,结合待放电子元件的大小,确定可放元件区域及不可放元件区域,放入基板的待放电子元件试放在基板的每一个网格中,若该元件与基板中已有的任一元件重叠时,该网格定为不可放元件网格,否则定为可放元件网格, 当遍历所有网格时,每个网格都被定为可放元件网格或者不可放元件网格,其中可放元件网格合起来称为可放元件区域,不可放元件网格合起来称为不可放元件区域;
S1-4根据S1-2计算的温度分布,将一个待放电子元件放入可放元件区域中温度最低的网格中,同时标记该电子元件放入基板的顺序;
S1-5重复S1-2~S1-4,直到待放电子元件的数量达到指定数量,然后转到S1-6,否则返回步骤S1-2;
S1-6针对S1-5结束时得到的元件布局,计算基板区域的温度分布,评估该布局的目标函数值,将得到的元件布局及目标函数值记录为最佳布局信息,放置阶段结束;
S2进行元件调整阶段,具体如下:
S2-1按照S1-4中电子元件放入基板的顺序依次取出电子元件,每取出一个电子元件,均重新计算基板的温度分布;
S2-2分析基板上已有电子元件布局,结合待放元件的大小,确定可放元件的区域;
S2-3将取出的电子元件放在可放元件区域中温度最低的网格;
S2-4计算调整后基板区域的温度分布,评估布局的目标函数值,与S1-6记录的最佳布局信息进行比较,优于则更新最佳布局及其目标函数值;
S2-5 S2-1至S2-4为一次布局调整,当布局调整次数达到指定调整次数时,停止调整,并记录最佳元件布局为最终的电子元件传热优化排布。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,S1中的基板不含电子元件时,温度场为均匀温度场,首个待放电子元件放置位置需要人为确定。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述最终的电子元件传热优化排布的目标函数值包括区域最高温度、区域平均温度或区域温度标准差
区域最高温度的计算公式为:
其中Tmax为区域的最高温度,Ti为区域离散后中第i个位置的温度,N为区域中考察温度的位置数量;
区域平均温度的计算公式为:
其中Tmean为区域的平均温度;
区域的温度标准差来表征,计算公式为:
其中σT为温度的标准差。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述将基板上的电子元件等效为热源,所述热源具有热源面积和热源强度,其中热源面积等于电子元件在基板上占有的面积,热源强度为电子元件发热功率除以热源面积。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105138728B (zh) * | 2015-07-23 | 2018-06-22 | 华南理工大学 | 一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法 |
CN107832500B (zh) * | 2017-10-20 | 2020-01-14 | 华南理工大学 | 一种用于确定动力电池风冷系统出口位置的优化方法 |
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CN115081388B (zh) * | 2022-06-01 | 2024-03-22 | 华南理工大学 | 一种电子元件发热强度分配优化方法 |
CN115460895B (zh) * | 2022-11-10 | 2023-02-17 | 武汉至驱动力科技有限责任公司 | 基于温度场图像信息的电子水泵控制器散热方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103286187A (zh) * | 2012-02-22 | 2013-09-11 | 上海微电子装备有限公司 | 一种板材落料和排版的方法及装置 |
US8650521B1 (en) * | 2011-12-01 | 2014-02-11 | The Florida State University Research Foundation, Inc. | Dendritic cooling layer generator and method of fabrication |
CN104461732A (zh) * | 2014-11-04 | 2015-03-25 | 上海盈方微电子有限公司 | 一种应用于二维网格结构片上网络芯片的温度优化方法 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7366997B1 (en) * | 2005-01-11 | 2008-04-29 | Synplicity, Inc. | Methods and apparatuses for thermal analysis based circuit design |
US9323870B2 (en) * | 2012-05-01 | 2016-04-26 | Advanced Micro Devices, Inc. | Method and apparatus for improved integrated circuit temperature evaluation and IC design |
CN105138728B (zh) * | 2015-07-23 | 2018-06-22 | 华南理工大学 | 一种基于贪婪算法的电子元件传热优化排布方法 |
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8650521B1 (en) * | 2011-12-01 | 2014-02-11 | The Florida State University Research Foundation, Inc. | Dendritic cooling layer generator and method of fabrication |
CN103286187A (zh) * | 2012-02-22 | 2013-09-11 | 上海微电子装备有限公司 | 一种板材落料和排版的方法及装置 |
CN104461732A (zh) * | 2014-11-04 | 2015-03-25 | 上海盈方微电子有限公司 | 一种应用于二维网格结构片上网络芯片的温度优化方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
The investigation on computational grids in wind turbine positioning optimization using greedy algorithm;Kai Chen等;《Chinese Science Bulletin》;20140527;第59卷(第26期);第3304-3313页 * |
Wind turbine positioning optimization of wind farm using greedy algorithm;Kai Chen等;《Journal of Renewable and Sustainable Energy》;20130430;第5卷(第2期);第1-15页 * |
基于仿生优化的高效导热通道的构造;程新广等;《中国科学》;20030320;第33卷(第3期);第251-256页 * |
基于蚁群算法的PCB板电子元件热布局优化研究;徐少亭;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20130115(第01期);第I135-181页 * |
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