CST Studio Suite – высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.
Тепловое моделирование электрических потерь на печатных платах в сравнении с измерениями
Тепловое моделирование может выявить распределение температуры на печатной плате до изготовления физического прототипа. В этом документе демонстрируется быстрый и эффективный рабочий процесс теплового моделирования печатных плат в CST Studio Suite с использованием анализа IR-Drop и демонстрируются преимущества этого подхода. Результаты моделирования также будут сверены с измерениями.
В этом анализе рассматривается печатная плата без какого-либо корпуса. Чтобы максимально упростить этап подготовки модели, все необходимые данные, необходимые для проведения теплового моделирования, получают из анализа ИК-капель (например, источники тепла, тепловые потери печатной платы, геометрия компонентов печатной платы).
Термическое моделирование выполняется с помощью программы сопряженного теплопереноса (CHT) CST Studio Suite, поскольку она лучше всего подходит для данной работы. При таком подходе пользователь экономит много времени при настройке модели, поскольку рабочий процесс не требует от пользователя ручного поиска и определения эквивалентных тепловых моделей (например, 2-резисторных) для каждого отдельного компонента, припаянного на печатной плате. Кроме того, анализ CHT избавляет пользователя от необходимости задавать тепловые поверхности в модели. При необходимости потери переменного тока также могут быть добавлены к моделированию с помощью совместного трехмерного моделирования.
Настройка моделирования и IR-Drop
Как показано на рис.1, процесс моделирования относительно прост. Во-первых, пользователь собирает все необходимые данные (например, модели E-, M-CAD, топологию печатной платы с ее компоновкой и схемами, формы компонентов печатной платы и т. д.). В настоящее время почти вся эта информация уже хранится в файлах, созданных известными инструментами EDA.
Рис. 1. Краткий обзор рабочего процесса.Во-вторых, пользователь импортирует макет EDA в CST Studio Suite, проверяет его целостность и на основе схемы настраивает и запускает анализ IR-Drop.
Рис. 2. Обзор этапа импорта данных САПР.Анализ IR-Drop предоставляет пользователю много информации для определения уровня сложности тепловой модели. Например, видно, что расчетные потери мощности в слоях печатной платы относительно малы по сравнению с потерями компонентов (изображены на рис. 3). Следовательно, можно активировать механизм упрощения стека CST Studio Suite, чтобы создать и использовать модель с эквивалентными тепловыми свойствами, но с гораздо меньшей сложностью и, следовательно, более коротким временем моделирования.
Рис. 3. Возможности упрощения тепловой модели на основе результатов IR-Drop.
Рис. 4. Анализ тепловой модели с нагрузкой 5 Вт.Тепловое моделирование
Тепловое моделирование выполняется для двух различных условий электрической нагрузки: 1,5 и 5 Вт (Вт).
Модели, указанные для нагрузки 1,5 Вт, показаны на рис. 3, а для 5 Вт — на рис. 4.
На основе входных данных САПР пользователь может настроить и проанализировать несколько вариантов с различной сложностью компонентов печатной платы (как показано на рис.3).
Для этого сравнения формы компонентов автоматически генерируются CST Studio Suite для создания упрощенной версии для моделей A, B и C с одним исключением в модели A, где силовые резисторы напрямую импортируются из базы данных CAD.
Компоненты характеризуются материалом по умолчанию, автоматически назначаемым рабочим процессом, с теплопроводностью (TC) 5 Вт/K/м. Исключение сделано для силовых резисторов и разъемов (J 1, J 2 ). ТС для этих компонентов подбирается экспериментально на основе общедоступной информации.
Сердечник силового резистора обычно изготавливается либо из стекловолокна, либо из керамического материала, что приводит к TC в диапазоне < 0,5 – 3 > Вт/K/м. Выводы резистора выполнены из меди с TC 401 Вт/K/м.
Соединитель J 2 изготовлен из диэлектрического материала с ТС 1,5 Вт/К/м.
Имитационная модель разъема USB (J 1 ) упрощена. Его оболочка моделируется алюминием с TC 237 Вт/K/м, а его «внутренности» оцениваются как материал с TC 1,5 Вт/K/м.
Ни один из компонентов печатной платы не содержит термопрокладки, поэтому всем им присваивается свойство контакта со стопкой печатной платы. Экспериментально измеренная толщина воздушного зазора изменяется в пределах < 50 – 200 > мкм.
В моделировании используется 50 мкм.
Примечание 1: Три мощных резистора (проходного типа), расположенные с правой стороны печатной платы, рассеивают 1,5 Вт (температура измеряется на резисторе R 3 ).
Примечание 2: Анализируется случай мощностью 5 Вт с внешней резистивной нагрузкой, подключенной через порт USB (J 1 ).
Обратите внимание: Теперь сканирование мозга станет решающим фактором при приёме на работу.
Встроенные резисторы электрически отделены от печатной платы.Настройка измерения
Измерение выполняется с помощью тепловизора (тепловизионная камера) и двух датчиков (термопары типа К и внутреннего термометра) для подтверждения показаний. Использование датчиков необходимо для получения и определения точного значения излучательной способности тестируемого устройства и температуры окружающей среды для тепловизионных целей. На основе полученных значений температуры рассчитывается средняя температура для всех точек измерения. Расположение зондов показано на рис.5.
Примечание 3: Проведенные испытания не относятся к сертифицированному виду измерений.
Рис. 5. Детали измерений для условий нагрузки: 1,5 Вт.На основании допусков измерений и имитации упрощенной тепловой модели делается предположение, что максимальное отклонение между результатами имитации и измерения оценивается на уровне +/- 4°C. Все сравниваемые температуры перечислены в следующих таблицах (Рис.6 и Рис.7). Если моделируемая температура превышает предел, соответствующее поле в таблице будет отмечено оранжевым цветом.
Моделирование моделей A и B указывает на то, что уровень сложности форм САПР всегда следует учитывать в зависимости от потребностей пользователя. Как показано на рис. 6а, модель B работает почти в 4 раза быстрее, чем модель A, а общие температурные различия между ними незначительны. Использование упрощенных форм САПР позволяет пользователю проводить больше экспериментов по моделированию и больше узнавать о поведении устройства в различных сценариях, что почти всегда приветствуется, особенно на этапе проектирования.
На рис.6 (6а, 6б) видно, что в зависимости от условий загрузки устройства точность моделирования может снижаться.
Важно помнить, что рабочий процесс CST Studio Suite выполняет анализ IR-Drop для вычисления входных параметров (данных), необходимых для теплового решателя. Анализ IR-Drop позволяет получить потери мощности печатной платы только на уровне постоянного тока на основе расчетных напряжений и токов схемы. Поэтому потери мощности переменного тока не учитываются. Чтобы учесть это, можно выполнить совместное 3D-моделирование в CST Studio Suite.
Рис.6а. Сравнение результатов теплового моделирования для нагрузки 1,5 Вт.
Рис.6б. Сравнение результатов теплового моделирования для нагрузки 5 Вт.
Рис.7. Сравнение результатов теплового моделирования, включая потери постоянного и переменного тока.Анализируемое устройство относится к семейству SMPS (импульсный источник питания), что означает, что из-за механизма переключения, используемого устройством для управления уровнями выходного напряжения/тока, часть мощности передается через гармоники, генерируемые источником питания. выключатель. Размер этой части зависит не только от топологии коммутации, но и от условий нагрузки.
К счастью, в CST Studio Suite пользователь может очень быстро сгенерировать 3D-модель ранее импортированной печатной платы и вместе с симулятором интегральной схемы запустить так называемое совместное 3D-моделирование, которое рассчитает дополнительные потери переменного тока топологии и схемы. компоненты платы.
Этот подход удобен для любых компонентов печатных плат, в которых преобладают потери переменного тока.
Например:
- силовые катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели и другие сопутствующие компоненты, в которых возникают потери мощности из-за потерь в сердечнике, потерь на постоянном и переменном сопротивлении обмоток;
- переключатели (IGBT, MOSFET транзисторы), в которых потери происходят из-за проводимости, механизма переключения и потерь заряда затвора.
Согласие между измерением и моделированием
Применение совместного моделирования к анализируемой печатной плате приводит к результатам, показанным на рис. 7, при этом достигается соответствие между результатами измерения и моделирования. Температура индуктора системы (L 1 ) несколько превышает максимальный допуск, в основном из-за неизвестного материала, используемого для его сердечника.
Тепловое моделирование печатной платы с помощью решателя IR-Drop относительно быстро настраивается и запускается.
Все смоделированные случаи запускались на ноутбуке с четырехъядерным процессором Intel® i7-6820hq®.
Точность результатов вычислений зависит от характера потерь, присутствующих в анализируемой системе. Если преобладают потери переменного тока, рекомендуется запустить совместное 3D-моделирование, чтобы точно зафиксировать их и добавить в тепловой анализ.
Резюме
Согласие между измерениями и моделированием показывает, что рабочий процесс IR-Drop и CFD является эффективным способом расчета нагрева из-за электрических потерь в печатных платах. Рабочие процессы, продемонстрированные в этом сообщении в блоге, легко настроить из стандартных файлов макета EDA, и они могут выполняться на локальных ресурсах, например на одном ноутбуке. CST Studio Suite предлагает инженерам-электронщикам мощный инструмент для быстрой оценки тепловых характеристик своих проектов без физической тестовой платы.
#cst studio suite #cst studio #наука #наука и техника #3d моделирование
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Cst Studio Suite - Тепловое моделирование электрических потерь на печатных платах.