Tecnología de PCB - Sobre la simulación térmica de la placa de PCB

El análisis térmico ayuda al diseñador a determinar la propiedad eléctrica del componente en el PCB y si el componente o la placa de PCB se quemarán debido a las altas temperaturas. Un simple análisis térmico solo calcula la temperatura media del pcb, mientras que un complejo modelo transitorio se establece para dispositivos electrónicos con múltiples PCBs y miles de componentes.

No importa cuán cuidadosamente los analistas modelen la potencia térmica de los dispositivos electrónicos, PCBs y componentes electrónicos, la precisión del análisis térmico depende en última instancia de la precisión del consumo de energía de los componentes proporcionados por los diseñadores de pcb. El peso y el tamaño físico son muy importantes en muchas aplicaciones, y si el consumo real de energía del componente es menor, puede conducir a un mayor factor de seguridad del diseño, ayudando así al diseño real del pcb, o si, según el análisis térmico, el valor de consumo de energía del componente es demasiado conservador, en comparación, lo que es más grave, El factor de seguridad del diseño térmico es demasiado bajo, Es decir, la temperatura del componente es más alta de lo que los analistas predicen en el funcionamiento real, y tales problemas generalmente se resuelven instalando equipos de refrigeración o ventiladores para enfriar los pcb. Estos complementos aumentan los costos y el tiempo de fabricación, y la adición de ventiladores en el diseño puede causar una capa de inestabilidad de fiabilidad, por lo que el PCBs ahora utiliza enfriamiento activo en lugar de enfriamiento pasivo (como enfriamiento por convección natural, conducción y radiación) para permitir que los componentes funcionen en rangos de temperatura más Bajos.

Un diseño térmico deficiente eventualmente conduce a mayores costos y menor fiabilidad, lo que puede ocurrir en todos los diseños de pcb. Determinar con precisión el consumo de energía de los componentes y luego realizar un análisis térmico de PCB puede ayudar a producir productos funcionales pequeños. Se deben utilizar modelos térmicos precisos y consumo de energía de los componentes para evitar reducir la eficiencia del diseño de los pcb.

1. cálculo de la Potencia del componente

Determinar con precisión el consumo de energía de los componentes de PCB es un proceso iterativo. Los diseñadores de PCB necesitan conocer la temperatura del componente para determinar la Potencia perdida, mientras que los analistas térmicos necesitan saber la pérdida de potencia para introducirla en el modelo térmico. El diseñador primero adivina la temperatura del ambiente de trabajo o obtiene una estimación del análisis térmico inicial e introduce la Potencia del componente para refinar el modelo térmico, calcular el "nodo" (o calor) del PCB y el componente asociado, y el segundo paso es utilizar la nueva temperatura para calcular el consumo de energía del componente, Y calcular nuevamente la entrada de potencia del siguiente paso en el proceso de análisis térmico. En el mundo ideal, este proceso continúa hasta que su valor deja de cambiar.

Sin embargo, los diseñadores de PCB a menudo se enfrentan a la presión de completar las tareas rápidamente y no tienen tiempo suficiente para realizar determinaciones de rendimiento eléctrico y térmico de componentes que consumen mucho tiempo y se repiten. Un método simplificado es estimar el consumo total de energía de los PCB como un flujo térmico uniforme que actúa sobre toda la superficie de los pcb. El análisis térmico permite predecir la temperatura ambiente media, lo que permite al diseñador calcular el consumo de energía del componente y saber si es necesario hacer trabajos adicionales duplicando aún más la temperatura del componente.

Por lo general, el fabricante de componentes electrónicos proporciona las especificaciones de los componentes, incluida la temperatura máxima de funcionamiento. Las propiedades de los componentes suelen verse afectadas por la temperatura ambiente o la temperatura interna de los componentes, y los productos electrónicos de consumo suelen utilizar componentes plásticos, cuya temperatura máxima de funcionamiento es de 85 grados centígrados; Los productos militares suelen utilizar componentes cerámicos con una temperatura máxima de 125 ° C y una temperatura nominal habitual de 105 ° c. los diseñadores de PCB pueden utilizar la curva temperatura / potencia proporcionada por el fabricante del equipo para determinar el consumo de energía del componente a una temperatura determinada.

El análisis térmico instantáneo es el método más preciso para calcular la temperatura del componente, pero es difícil determinar el consumo instantáneo de energía del componente.

Un mejor compromiso es analizar las calificaciones y el peor de los casos por separado en condiciones estables.

El PCBs se ve afectado por varios tipos de calor, y las condiciones típicas de límite térmico que se pueden aplicar incluyen:

Convección natural o forzada de la superficie delantera y trasera;

Radiación térmica de la superficie delantera y trasera;

Conducción desde el borde del PCB hasta la carcasa del equipo;

Se conduce a otros PCBs a través de conectores rígidos o flexibles;

Conducción del PCB al soporte (conexión o Unión del perno);

Conducción del disipador de calor entre dos entrepisos de pcb.

Las herramientas de simulación térmica tienen muchas formas. Las herramientas básicas de modelado y análisis térmico incluyen herramientas generales para analizar estructuras arbitrarias, herramientas de dinámica de fluidos computacional (cfd) para el análisis de flujo / transferencia de calor del sistema y aplicaciones de PCB para el modelado detallado de PCB y componentes.

2. procesos básicos

Acelerar el diseño térmico de PCB de acuerdo con la experiencia madura proporcionada sin afectar y ayudar a mejorar los indicadores de rendimiento eléctrico del sistema.

Sobre la base de la predicción del sistema y el análisis térmico y el diseño térmico a nivel de dispositivo, los resultados del diseño térmico se pueden predecir a través de la simulación térmica a nivel de placa para encontrar defectos de diseño y proporcionar soluciones a nivel de sistema o soluciones a nivel de dispositivo para modificaciones.

El efecto del diseño térmico se probó a través de la medición del rendimiento térmico y se evaluó la aplicabilidad y eficacia del esquema.

A través del proceso práctico continuo de predecir el ciclo de retroalimentación de las medidas de diseño, el modelo de simulación térmica se modifica y acumula para acelerar la velocidad de simulación térmica y mejorar la precisión de la simulación térmica. Complementar la experiencia de diseño de disipación de calor de pcb.

3. simulación térmica a nivel de placa

El software de simulación térmica a nivel de placa puede simular la radiación térmica, la conducción térmica, la convección térmica, la temperatura del fluido, la presión del fluido, la velocidad del fluido y los vectores de movimiento del PCB en un modelo estructural tridimensional, así como la disipación forzada de calor, el Estado de vacío o la disipación natural de calor. En la actualidad, flowerm, betasoft, etc. son software típico para el análisis térmico de placas.