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行業(yè)資訊
PCB設計中的CFD建模和仿真
CFD建模和仿真如何適合PCB設計？
在PCB設計中當大功率組件全速運行時(shí)，新的PCB布局將變得非常熱。MOSFET，CPU，FPGA，大電流RF組件，LED和許多其他組件會(huì )變得很熱，以至于在運行過(guò)程中會(huì )被燒毀。如果連接不正確，即使是簡(jiǎn)單的LM系列運算放大器也會(huì )燒毀自身。散熱器是防止有源組件燒壞的第一道防線(xiàn)，但您可能需要采取其他措施來(lái)防止溫度過(guò)高。
電熱模擬告訴您由于不同組件中的電壓/電流，電路板將如何加熱。所有組件，即使是純電抗性的組件（例如電容器和電感器），都具有一些電阻性阻抗組件，并且會(huì )以熱量的形式耗散功率。通過(guò)定義每個(gè)組件作為PCB中的熱源的散熱，CFD建模和仿真從IC封裝級別開(kāi)始。定義了熱源后，您可以檢查熱量如何在整個(gè)電路板上的其他地方轉移到設備外殼中，并最終轉移到周?chē)h(huán)境中。
CFD建模的流程
下圖顯示了如何將電熱協(xié)同仿真用作CFD建模和仿真的一部分，以及對這些仿真中使用的不同類(lèi)型求解器的比較。每種類(lèi)型的求解器（例如，FEA，FEM，FVM，FDTD和網(wǎng)絡(luò )模型）在電熱仿真和CFD中都有其位置，它們之間的總體差異是仿真和收斂時(shí)間。
僅當您在板上定義熱源時(shí)，以上模擬流程才有效。這是通過(guò)導電分析和導熱分析步驟完成的，這些步驟將組件的導熱系數與電流密度和熱量產(chǎn)生聯(lián)系起來(lái)。通常，這可以使用具有標準數值技術(shù)的常規場(chǎng)求解器來(lái)完成，也可以使用泄漏電流值（對于有源器件）來(lái)估算電路板上產(chǎn)生的總熱量。對于電阻器和其他無(wú)源元件，您只需使用歐姆定律和標準功耗方程來(lái)確定運行期間產(chǎn)生的熱量。
CFD建模和仿真的總體流程可分為以下步驟。這種類(lèi)型的建模是在創(chuàng )建PCB布局并將已驗證的組件模型導入到板上以進(jìn)行仿真之后發(fā)生的。
1、使用組件（包括無(wú)源器件和半導體管芯）中的功耗確定進(jìn)入系統的熱源
2、模擬從封裝到周?chē)?/span>PCB的熱傳導
3、通過(guò)氣流模擬熱量從熱區傳遞到冷區的過(guò)程
這是一個(gè)經(jīng)典的多物理場(chǎng)問(wèn)題，在多個(gè)物理現象和電路板區域之間具有反饋，如下圖所示。注意，在此仿真流程圖中未考慮功率輸出與其他電氣特性的溫度依賴(lài)性。這將在模擬的CFD部分和熱源定義之間創(chuàng )建一個(gè)新的反饋回路。
在CFD建模和仿真中將IC功耗定義為源。然后，您可以檢查離開(kāi)木板和3D封裝的強制或自然氣流。這在系統的不同部分和不同的物理現象之間創(chuàng )建了一個(gè)反饋回路。
其他問(wèn)題中的邊界元法
如果我們要使用有限元或有限差分方法執行整個(gè)模擬，則復雜PCB的整個(gè)模擬將花費大量時(shí)間。對于具有精細離散度的復雜系統，典型的仿真時(shí)間可以達到數小時(shí)。在這里，使用了一種更好的方法來(lái)模擬組件之間的熱流。
可以使用一些標準的數值技術(shù)來(lái)提取電路網(wǎng)絡(luò )模型，并且可以將相同的方法應用于通過(guò)流體流動(dòng)的熱傳導和熱傳遞。通過(guò)數值提取復雜系統中的熱流和流體流動(dòng)回路，可以大大減少仿真時(shí)間。強大的模擬器已經(jīng)為復雜3D系統中的關(guān)鍵區域提供了從粗到粗的離散化調整，下一代求解器將采用網(wǎng)絡(luò )方法來(lái)解決這些類(lèi)型的多物理場(chǎng)問(wèn)題。