PCB科技 - 關於PCB板熱類比

熱分析有助於設計人員確定PCB上組件的電力特性，並確定組件或 PCB電路板 會因高溫而燒毀. 簡單熱分析僅計算PCB的平均溫度, 而對於具有多個PCB和數千個組件的電子設備，則建立了複雜的瞬態模型.

無論分析員如何仔細地建模電子、PCB和電子元件的熱功率，熱分析的準確性最終取決於PCB設計者提供的元件功耗的準確性。 重量和物理尺寸在很多應用中都非常重要，如果元件的實際功耗很小，可能會導致設計的安全係數很高，這有助於PCB的設計符合實際，或者元件功耗值過於保守，根據熱分析，相比之下，更嚴重的是熱設計安全係數過低， 即元件溫度比分析師預測的實際運行時高，此類問題通常通過安裝冷卻設備或風扇來冷卻PCB來解决。 這些附加組件新增了成本和製造時間，並且在設計中添加風扇會造成一層可靠性不穩定，囙此PCB現在使用主動冷卻而不是被動冷卻（例如自然對流、傳導和輻射冷卻），以允許組件在較低的溫度範圍內工作。

不良的熱設計最終會導致更高的成本和降低可靠性，這可能發生在所有PCB設計中。 精確確定元件功耗，然後進行PCB熱分析，可以幫助生產小型功能性產品。 應使用精確的熱模型和元件功耗，以避免降低PCB設計效率。

1、部件功率計算

準確確定PCB組件的功耗是一個反覆運算過程。 PCB設計者需要知道元件溫度以確定損耗功率，而熱分析員需要知道輸入熱模型的功率損耗。 設計者首先猜測一個工作環境的溫度或從初始熱分析中獲得的估算值，並將輸入的元件功率細化熱模型，計算PCB和相關元件的“節點”（或熱），第二步的溫度是使用新的溫度來計算元件的功耗， 並再次計算熱分析過程中下一步的功率輸入。 在理想世界中，這一過程一直持續到其價值停止變化。

然而，PCB設計師經常面臨快速完成任務的壓力，沒有足够的時間對組件進行耗時且重複的電力和熱效能測定。 一種簡化的方法是將PCB的總功耗估計為作用於整個PCB表面的均勻熱流。 熱分析可以預測平均環境溫度，允許設計師計算組件的功耗，並瞭解是否需要通過進一步重複計算組件溫度來進行額外工作。

通常，電子元件製造商提供元件的規格，包括最高工作溫度。 元件效能通常受環境溫度或元件內部溫度的影響，消費類電子產品通常使用塑膠元件，其最高工作溫度為85攝氏度； 軍用產品通常使用在最高溫度125°C下工作的陶瓷組件，通常額定溫度為105°C。PCB設計師可以使用設備製造商提供的溫度/功率曲線來確定組件在給定溫度下的功耗。

瞬態熱分析是計算元件溫度的最精確方法，但很難確定元件的暫態功耗。

更好的折衷方法是在穩態條件下分別分析額定值和最壞情况。

印刷電路板受各種類型的熱影響，可應用的典型熱邊界條件包括：

前後表面的自然或強制對流；

前後表面的熱輻射；

從PCB邊緣到設備外殼的傳導；

通過剛性或柔性連接器傳導至其他印刷電路板；

從PCB到支架的傳導（螺栓連接或粘接）；

散熱器在2個PCB夾層之間的傳導。

熱類比工具有多種形式。 基本的熱建模和分析工具包括用於分析任意結構的通用工具、用於系統流動/傳熱分析的計算流體動力學（CFD）工具以及用於詳細PCB和組件建模的PCB應用程序。

2、基本流程

根據提供的成熟經驗加速PCB熱設計，而不影響並有助於提高系統電力性能指標。

在系統和熱分析預測和設備級熱設計的基礎上，可以通過板級熱類比預測熱設計的結果，以發現設計缺陷，並提供系統級解決方案或設備級解決方案進行修改。

通過熱性能測試，驗證了熱設計的效果，並評估了該方案的適用性和有效性。

通過預估計設計量測迴響週期的連續實踐過程，對熱類比模型進行修改和積累，以加快熱類比速度，提高熱類比精度。 補充PCB熱設計經驗。

3、板級熱類比

板級熱類比軟體可以在3維結構模型中類比PCB的熱輻射、熱傳導、熱對流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運動向量，還可以類比強迫散熱、真空狀態或自然散熱。 現時，Flotherm、Betasoft等是典型的板材熱分析軟體。