CST Studio Suite представляет собой комплексное программное решение для трехмерного электромагнитного анализа, которое позволяет инженерам проектировать, анализировать и оптимизировать электромагнитные компоненты и системы. Одной из ключевых возможностей пакета является точное тепловое моделирование, которое помогает выявлять потенциальные проблемы с перегревом еще на этапе проектирования, до создания физических прототипов.
Эффективный рабочий процесс теплового анализа печатных плат
В данной статье рассматривается быстрый и эффективный метод теплового моделирования печатных плат (ПП) в среде CST Studio Suite. Основное внимание уделяется использованию анализа падения напряжения (IR-Drop) для автоматического определения источников тепла и последующему сопряженному теплообмену (CHT). Этот подход позволяет избежать трудоемкой ручной настройки эквивалентных тепловых моделей для каждого компонента и автоматически учитывает тепловые потери в слоях платы. Важным преимуществом является возможность последующего добавления потерь переменного тока через совместное 3D-моделирование.
Подготовка модели и анализ IR-Drop
Рабочий процесс начинается с импорта данных из систем автоматизированного проектирования (EDA), включая топологию платы, схемы и модели компонентов. После проверки целостности данных запускается анализ IR-Drop. Этот этап критически важен, так как он не только рассчитывает распределение напряжений и токов, но и количественно оценивает потери мощности на постоянном токе для каждого элемента платы. Результаты IR-Drop анализа (см. Рис. 1) помогают оценить уровень сложности, необходимый для тепловой модели. Например, если потери в слоях платы незначительны по сравнению с потерями в компонентах, можно использовать механизм упрощения стека платы, что существенно сократит время вычислений без потери точности.
Рис. 1. Общая схема рабочего процесса теплового моделирования.
Рис. 2. Этап импорта и подготовки данных САПР.
Детали теплового моделирования
Моделирование проводилось для двух сценариев нагрузки: 1,5 Вт и 5 Вт. Для анализа использовались модели разной степени сложности (A, B, C), где геометрия компонентов либо импортировалась из CAD, либо генерировалась автоматически в упрощенном виде (см. Рис. 3 и 4). Большинству компонентов назначался материал с теплопроводностью 5 Вт/(К·м). Для критичных элементов, таких как силовые резисторы и разъемы, свойства подбирались на основе технических данных: сердечники резисторов (керамика/стекловолокно, ТК 0.5–3 Вт/(К·м)), медные выводы (ТК 401 Вт/(К·м)), корпус USB-разъема (алюминий, ТК 237 Вт/(К·м)). Также моделировался тонкий воздушный зазор (50 мкм) между компонентами и платой.
Рис. 3. Анализ потерь мощности и возможности упрощения модели на основе данных IR-Drop.
Рис. 4. Тепловая модель платы при нагрузке 5 Вт.
Экспериментальная верификация
Для проверки точности моделирования были проведены натурные измерения с использованием тепловизора и термопар (см. Рис. 5). Условия тестирования соответствовали двум сценариям нагрузки. Сравнение результатов показало, что расхождение между расчетными и измеренными температурами в большинстве случаев не превышает ±4°C (см. Рис. 6а, 6б). Интересно, что использование упрощенных моделей компонентов (Модель B) позволило ускорить расчет почти в 4 раза с минимальной потерей точности по сравнению с детализированной Моделью A, что демонстрирует гибкость подхода для этапа проектирования.
Рис. 5. Схема экспериментальной установки для измерения температуры при нагрузке 1,5 Вт.
Рис. 6а. Сравнение результатов моделирования и измерений для нагрузки 1,5 Вт.
Рис. 6б. Сравнение результатов моделирования и измерений для нагрузки 5 Вт.
Учет потерь переменного тока
Поскольку анализ IR-Drop учитывает только потери на постоянном токе, для устройств с импульсными источниками питания (SMPS), где значительная часть энергии рассеивается на гармониках, этого может быть недостаточно. В таких случаях в CST Studio Suite доступна функция совместного 3D-моделирования. Она позволяет рассчитать дополнительные потери переменного тока в компонентах, таких как катушки индуктивности, трансформаторы и силовые транзисторы (MOSFET, IGBT), где потери возникают из-за скин-эффекта, потерь в сердечнике и динамических процессов переключения. Применение этого метода к тестовой плате позволило достичь еще лучшего согласования с экспериментальными данными (см. Рис. 7).
Рис. 7. Результаты моделирования с учетом потерь как постоянного, так и переменного тока.
Выводы
Продемонстрированный рабочий процесс, объединяющий анализ IR-Drop и решатель сопряженного теплообмена, доказал свою эффективность для прогнозирования теплового режима печатных плат. Моделирование, выполненное на стандартном ноутбуке, показало хорошее соответствие с измерениями. Ключевыми преимуществами являются скорость настройки на основе стандартных файлов EDA, автоматизация определения источников тепла и возможность учета сложных потерь переменного тока. Таким образом, CST Studio Suite предоставляет инженерам-разработчикам мощный инструмент для ранней и точной тепловой оценки проектов, что способствует созданию более надежных и эффективных электронных устройств.
#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.