PCB Tecnico - Informazioni sulla simulazione termica della scheda PCB

L'analisi termica aiuta i progettisti a determinare le proprietà elettriche dei componenti su un PCB e a determinare se componenti o scheda PCB bruceranno a causa delle alte temperature. La semplice analisi termica calcola solo la temperatura media di un PCB, mentre i modelli transitori complessi sono costruiti per apparecchiature elettroniche con PCB multipli e migliaia di componenti.

Non importa quanto attentamente un analista modella la potenza termica di elettronica, PCB e componenti elettronici, l'accuratezza dell'analisi termica dipende in ultima analisi dalla precisione del consumo energetico dei componenti forniti dal progettista PCB. Il peso e la dimensione fisica sono molto importanti in molte applicazioni, se i componenti del consumo energetico effettivo sono piccoli, potrebbero portare a progettare un elevato coefficiente di sicurezza, che ha contribuito alla progettazione del PCB con la realtà, o il valore di consumo energetico dell'elemento troppo conservatore in quanto secondo l'analisi termica, al contrario, è anche il coefficiente di sicurezza di progettazione termica più serio è troppo basso, Gli analisti prevedono più alti livelli di temperatura dei componenti rispetto ai tempi di esecuzione effettivi, tali problemi sono generalmente risolti installando dispositivi di raffreddamento o ventole per raffreddare il PCB. Questi componenti aggiuntivi aggiungono costi e tempi di produzione, e l'aggiunta di una ventola al design crea uno strato di instabilità dell'affidabilità, quindi i PCB ora utilizzano il raffreddamento attivo piuttosto che passivo (come convezione naturale, conduzione e raffreddamento radiativo) per consentire ai componenti di operare in intervalli di temperatura più bassi.

Un design termico scadente porta in ultima analisi a costi più elevati e una minore affidabilità, che può accadere in tutti i progetti di PCB. Alcuni sforzi per determinare accuratamente il consumo energetico dei componenti e quindi eseguire l'analisi termica PCB possono aiutare a produrre piccoli prodotti funzionali. I modelli termici accurati e il consumo energetico dei componenti dovrebbero essere utilizzati per evitare di ridurre l'efficienza di progettazione del PCB.

1. Calcolo della potenza del componente

Determinare con precisione il consumo energetico di un componente PCB è un processo iterativo. I progettisti di PCB devono conoscere la temperatura del componente per determinare la potenza persa e gli analisti termici devono conoscere la perdita di potenza da immettere nel modello termico. I progettisti prima indovinare una temperatura dell'ambiente di lavoro o ottenuta dalle stime iniziali dell'analisi termica e la potenza dell'elemento in ingresso per raffinare il modello di calore, calcolare il PCB e i relativi componenti "nodo" (o caldo), la temperatura del secondo passo è quella di utilizzare la nuova temperatura al consumo energetico dell'elemento di calcolo, e calcolare nuovamente la potenza assorbita per la fase successiva del processo di analisi termica. In un mondo ideale, il processo continua fino a quando il suo valore smette di cambiare.

Tuttavia, i progettisti di PCB sono spesso sotto pressione per completare rapidamente le attività e non hanno abbastanza tempo per eseguire la determinazione delle prestazioni elettriche e termiche lunghe e ripetitive dei componenti. Un approccio semplificato consiste nel stimare il consumo energetico totale del PCB come flusso termico uniforme che agisce sull'intera superficie del PCB. L'analisi termica è in grado di prevedere la temperatura ambiente media, consentendo ai progettisti di calcolare il consumo energetico dei componenti e di sapere se è necessario eseguire ulteriori lavori mediante un doppio conteggio delle temperature dei componenti.

Generalmente, i produttori di componenti elettronici forniscono specifiche per i componenti, compresa la temperatura massima di esercizio. Le prestazioni dei componenti sono solitamente influenzate dalla temperatura ambiente o dalla temperatura interna del componente, i prodotti elettronici di consumo utilizzano spesso componenti in plastica, la sua temperatura massima di esercizio è di 85 gradi Celsius; I prodotti militari utilizzano spesso componenti ceramici che operano ad una temperatura massima di 125 ° C e sono tipicamente classificati a 105 ° C. I progettisti di PCB possono utilizzare la curva temperatura / potenza fornita dal produttore del dispositivo per determinare il consumo energetico del componente a una data temperatura.

L'analisi termica transitoria è il metodo più accurato per calcolare la temperatura dell'elemento, ma è molto difficile determinare il consumo energetico istantaneo dell'elemento.

Un compromesso migliore è quello di analizzare il rating e le condizioni peggiori separatamente in condizioni di stato stazionario.

I PCB sono influenzati da vari tipi di calore, e le condizioni di confine termiche tipiche che possono essere applicate includono:

convezione naturale o forzata dalle superfici anteriori e posteriori;

radiazioni termiche provenienti dalle superfici anteriori e posteriori;

Conduzione dal bordo PCB all'alloggiamento dell'apparecchiatura;

Conduzione ad altri PCB attraverso connettori rigidi o flessibili;

Conduzione dal PCB al supporto (bullonato o legato);

Conduzione di radiatori tra 2 intercalari PCB.

Gli strumenti di simulazione termica sono disponibili in molte forme. Gli strumenti di modellazione termica e analisi di base includono strumenti universali per l'analisi di strutture arbitrarie, strumenti di fluidodinamica computazionale (CFD) per l'analisi del flusso di sistema/trasferimento di calore e applicazioni PCB per la modellazione dettagliata di PCB e componenti.

2. Processo di base

Accelerare la progettazione termica PCB basata sull'esperienza maturata fornita senza influenzare e contribuire al miglioramento degli indicatori di prestazione elettrica del sistema.

Sulla base della previsione dell'analisi termica e del sistema e della progettazione termica a livello di dispositivo, i risultati della progettazione termica possono essere previsti attraverso la simulazione termica a livello di bordo per individuare i difetti di progettazione e fornire soluzioni a livello di sistema o soluzioni a livello di dispositivo per la modifica.

L'effetto della progettazione termica è testato mediante misurazione delle prestazioni termiche e vengono valutate l'applicabilità e l'efficacia dello schema.

Il modello di simulazione termica viene modificato e accumulato attraverso il processo di pratica continua del ciclo di pre-stima-progettazione-misura-feedback per accelerare la velocità di simulazione termica e migliorare la precisione della simulazione termica. Supplementare esperienza di progettazione termica PCB.

3. Simulazione termica a livello di bordo

Il software di simulazione termica a livello della scheda può simulare la radiazione termica, la conduzione del calore, la convezione del calore, la temperatura del fluido, la pressione del fluido, la velocità del fluido e il vettore di movimento del PCB nel modello della struttura 3d e può anche simulare la dissipazione forzata del calore, lo stato del vuoto o la dissipazione naturale del calore. Attualmente, Flotherm, Betasoft e così via sono il software tipico per l'analisi termica delle piastre.