FloTHERM XT - symulacje termiczne na każdym etapie projektowania elektroniki

Inżynierowie mechanicy muszą współpracować z projektantami elektroniki, którzy korzystają z oprogramowania typu EDA, jak również z innymi specjalistami korzystającymi z oprogramowania MDA.

Oprogramowanie do symulacji termicznych powinno towarzyszyć pracy tych osób na każdym etapie procesu projektowania, zarówno w jego części elektronicznej jak i mechanicznej, począwszy od fazy prac koncepcyjnych, poprzez właściwe projektowanie, optymalizowanie oraz końcową weryfikację.

Te różne potrzeby mają poważne implikacje dla rozwoju oprogramowania, szczególnie względem niezbędnych interfejsów, zarządzania danymi oraz ich integracją.

Oprogramowanie FloTHERM XT

Rys. 1. CAD-centryczny interfejs FloTHERM XT

Aby sprostać tym wymaganiom możliwości dwóch potężnych narzędzi: FloTHERM oraz FloEFD firmy Mentor Graphics zostały połączone w jedną nowoczesną oraz zintegrowaną z technologią CAD i CFD (Computational Fluid Dynamics) platformę projektową.

Zbieżność procesów projektowania mechanicznego i elektronicznego, wymuszona także poprzez wszechobecną miniaturyzację wymaga, aby zmiany w projekcie elektroniki były aktualizowane w projekcie mechaniki. Co więcej, tradycyjne dwuwymiarowe podejście do projektowania PCB obecnie zostało istotnie wzbogacone poprzez technologię wizualizacji 3D.

Z tych przyczyn oprogramowanie FloTHERM XT z wbudowanym modułem MCAD, umożliwia import natywnej geometrii projektu CAD z większości narzędzi tego typu dostępnych na rynku. Elementy modyfikowane wewnątrz FloTHERM XT mogą być też eksportowane w tym samym natywnym formacie w celu powrotnego importu do środowiska MCAD, przy zachowaniu danych historycznych związanych z tym obiektem.

Program FloTHERM XT poprzez wbudowany łatwy w użyciu, intuicyjny oraz dwukierunkowy moduł FloEDA Bridge wspiera synchronizację z pakietami oprogramowania EDA takich producentów jak Cadence, Zuken, Altium, którzy są członkami ODB++ Solutions Aliance.

Projekt płytki drukowanej może być edytowany, komponenty mogą podlegać przesunięciom, obrotom o dowolny kąt oraz skalowaniu. Wspierany jest również import danych w formacie IDF.

Prawie doskonała integracja z systemami EDA oraz MCAD jest obecnie warunkiem do efektywnej symulacji termicznej w zakresie zgodnym z aktualnym stanem cyklu projektowego.

FloTHERM XT zawiera bibliotekę SmartPart z obiektami geometrycznymi i niegeometrycznymi, umożliwiającą użytkownikowi dostęp do zestawu najbardziej popularnych komponentów dla umożliwienia szybkiego i możliwie najdokładniejszego tworzenia modeli. Program wspiera też niekartezjańską geometrię, nietypowe kształty komponentów oraz radiatorów.

Rys. 2. Interfejs FloEDA Bridge

Także do szybkiej budowy modelu aplikacji dostępne są dowolne kształty obrysów płytek drukowanych, specyficzne komponenty elektromechaniczne jak dmuchawy oraz materiały w różnych stanach fazowych wykorzystywane przy produkcji (zalewy, lakiery).

Omawiany program stanowi przyjazne środowisko projektowe, w którym geometria aplikacji może być zmieniana na bieżąco, a wyniki symulacji natychmiast uaktualniane. Zamysłem autorów było, aby złożone mechanicznie urządzenia elektroniczne można było łatwo poddawać skomplikowanym procesom optymalizacji.

Zaimportowany obiekt CAD wraz z wewnętrznie stworzonym modelem mogą funkcjonować razem, umożliwiając tym samym ich pełną integrację i posługiwanie się takim modelem w całym procesie projektowania od etapu koncepcji po końcowy etap weryfikacji. FloTHERM XT wpisuje się tym samym w optymalny proces projektowania, minimalizując ryzyko związane z kwestiami termicznymi już od początku projektowania.

Dzięki zintegrowaniu zaawansowanych metod modelowania oraz natywnych linków do większości popularnych narzędzi EDA, program umożliwia utrzymanie dwóch równoległych procesów projektowania - mechanicznego oraz elektronicznego - powiązanych razem poprzez stworzenie modelu 3D produktu, który w sposób uproszczony (lub jeśli potrzeba także w sposób szczegółowy) będzie w stanie synchronizacji z ich środowiskami projektowymi - EDA oraz MDA.

FloTHERM XT może zatem wydatnie pomóc w znacznym skróceniu czasu cyklu projektowego, a poprzez to jest w stanie zredukować koszty projektowania oraz ryzyko, że to co wyjdzie z pracowni projektanta będzie wymagało poprawy.

Analiza termiczna

Rys. 3. Tradycyjny sposób wykorzystania narzędzi CFD do symulacji termicznych urządzeń elektronicznych w cyklu projektowania EDA/MDA

Właściwe dla oprogramowania typu CFD tworzenie siatki obliczeniowej (meshing), wykorzystywane w analizie termicznej aplikacji elektronicznych, stanowi wyzwanie obliczeniowe z powodu mnogości powierzchni rozgraniczających ciała stałe i ciecze.

W konsekwencji aby optymalizacja i analiza termiczna była w pełni zautomatyzowana także podczas zmian geometrii, proces ten (meshing) także musi być w pełni automatyczny i przebiegać bez ingerencji operatora poza wstępnym definiowaniem rozmiarów siatki obliczeniowej.

Uboczną konsekwencją używania systemów EDA do projektowania obwodów drukowanych w dwóch wymiarach (2D), jest to, że obiekty składające się na projekt są lokalnie dopasowane do siatki układu kartezjańskiego (układane są w rastrze). Jest to naturalne, niemniej coraz częściej ograniczenia gabarytowe zmuszają projektantów do niekonsekwencji w tej kwestii, np. układania modułów DIMM pod kątem do głównej płyty, użycia radiatory o nie kartezjańskich profilach.

Użycie prostej siatki rastra X-Y ze stałym skokiem, która wykracza poza obrys jest nieodpowiednie ponieważ szybko prowadzi do nieakceptowalnej liczby oczek siatki, kiedy np. dodany zostanie geometryczny detal zwiększający model. W rezultacie, użycie lokalnie zagęszczonej siatki rastra w układzie kartezjańskim w obrębie i poza obiektem symulowanym stało się powszechne.

Ponieważ liczba obiektów o "geometrii niekartezjańskiej" w systemach elektronicznych wzrosła, zwiększyło się zatem zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane metody tworzenia siatek. W ciągu ostatnich lat, w narzędziach CFD zintegrowanych z MCAD coraz częściej są stosowane siatki ósemkowe (octree meshes).

Warto dodać, że w obszarze elektroniki, procesy projektowe różnią się znacznie od firmy do firmy. Zintegrowanie narzędzi CFD z MCAD często nie ułatwia projektantom zadania, chociażby z powodu tego, że wczesne etapy prac koncepcyjnych w zakresie elektroniki były w środowisku EDA, a więc poza systemem MCAD. Zatem, w środowiskach projektowych skoncentrowanych wokół MCAD, dobrze jest, aby narzędzie do symulacji termicznych było niezależne od reszty (stand alone).

Łatwiejsze modelowanie

Rys. 4. Zastosowanie FloTHERM XT do symulacji termicznych urządzeń elektronicznych w cyklu projektowania EDA/MDA

Oprogramowanie do symulacji termicznych CFD - FloTHERM XT zostało stworzone, aby sprostać coraz trudniejszym wyzwaniom w zakresie warunków termicznych, jakie stają przed nowoczesnymi urządzeniami elektronicznymi. Program zapewnia łatwiejszy sposób modelowania bardziej skomplikowanych urządzeń oraz ich o obudów.

Jest użyteczny w szczególności w takich dziedzinach, jak oświetlenie LED, elektronika użytkowa, elektronika wojskowa i profesjonalna, kosmiczna oraz samochodowa. Tworzenie siatek (meshing) może zajmować znaczny czasu w wielu narzędziach CFD ogólnego przeznaczenia, co bywa przyczyną frustracji projektantów, gdy coś idzie nie tak.

Większość inżynierów mechaników chciałoby po prostu mieć oprogramowanie, które w miarę możliwości nie wymaga zbyt dużego wysiłku w zakresie konfiguracji, ale jednak daje możliwość przełączenia się na bardziej inteligentną obsługę tam gdzie jest to niezbędne. To życzenie pokazuje sens istnienia bardziej zaawansowanych strategii tworzenia siatki pomiarowej (meshingu).

Zaawansowane algorytmy wykorzystywane w FloTHERM XT zapewniają półautomatyczne, zorientowane obiektowo modelowanie obiektów z opcją manualnej regulacji siatki tam, gdzie jest to konieczne.

Jednocześnie zapewniono swobodę i kontrolę nas procesem modelowania, która jest pożądana przez bardziej doświadczonych inżynierów zajmujących się symulacjami termicznymi. Symulator wykorzystuje stabilne metody numeryczne oraz półautomatyczne metody kontroli zbieżności wyników symulacji z możliwością interwencji operatora, kiedy jest to niezbędne.

W aplikacjach chłodzenia układów elektronicznych, kwestie związane z modelowaniem turbulencji są rzadkie, a jeśli są, to są największym źródłem błędów w wynikach symulacji. Jest to bardziej prawdopodobne niż niepewność w prawidłowym oszacowaniu rozpraszaniu mocy, parametrach materiałów, czy prędkości przepływu medium chłodzącego.

Rys. 5. Przykład symulacji termicznej routera sieciowego

Oprogramowanie FloTHERM XT zapewnia optymalny model dla danej aplikacji oraz jeśli jest taka potrzeba możliwość wyboru alternatywnych modeli. Alternatywne wersje są dostępne dla przepływów laminarnych, przejściowych i turbulentnych. W przypadku modeli turbulentnych występują ograniczenia w celu uniknięcia pomyłek.

Program sprawia, że korzystanie z ogólnego modelu opartego na układzie dwóch równań połączonego z własnym podejściem do zagadnień brzegowych dla efektów przyściennych, które płynnie przechodzą pomiędzy różnymi rodzajami przepływów, co daje doskonałe wyniki testów w przypadku zastosowań do aplikacji z urządzeniami elektronicznymi.

Prosta praca

Rys. 6. Przykład symulacji termicznej zasilacza

Za pomocą FloTHERM XT można iteracyjnie symulować projekt od fazy koncepcji do implementacji. Kolejne iteracje mogą być niezbędne, aby poprawić ewentualne błędy. Takie wykorzystanie oprogramowania może znacznie skrócić czas wprowadzenia produktu na rynek.

Program może być wykorzystywany poprzez inżynierów elektroników oraz ekspertów od zagadnień termicznych, którzy szybko mogą weryfikować rozwiązania bardziej skomplikowanych problemów z chłodzeniem. Dzięki bezpośredniej integracji z narzędziami do projektowania PCB, eliminuje się także wrażliwy na błędy i wymagający często czasu proces konwersji plików wejściowych.

Możliwość filtracji danych (np. odrzucenie do symulacji komponentów, które rozpraszają znikome moce) redukuje czas symulacji. Program zapewnia automatyczne tworzenie siatek obliczeniowych (meshing), kontroluje zbieżność wyniku symulacji. Ma przyjazny graficzny interfejs użytkownika i pozwala na tworzenie modeli oraz efektywną symulację najbardziej złożonych systemów.

To wszystko daje również wymierną redukcję czasu potrzebnego na symulacje termiczne w stosunku do innych narzędzi CFD. Więcej szczegółowych informacji na temat FloTHERM XT jest na stronie https://www.mentor.com/products/mechanical/flotherm/flotherm-xt/

Gamma Sp. z o.o.
www.gamma.pl