Symulacja elektryczno-termiczna z OrCAD/Allegro 17.4

| Technika

Efekty termiczne są od kilku lat zauważalnym czynnikiem ograniczającym swobodę projektowania w elektronice. Powodują ograniczenie szybkości procesorów, czyli wydajności urządzeń mobilnych lub infrastruktury centrów danych. Elektromobilność oraz coraz bardziej rozbudowane systemy multimedialne stanowią dodatkowe wyzwania termiczne dla inżynierów elektroników zajmujących się motoryzacją. Rosnące wymagania projektowe przy wyższych szybkościach transmisji danych oraz jednocześnie przy niższych napięciach zasilających zwiększają wartości prądów w całym systemie i tych w ścieżkach płytek drukowanych, co przyczynia się do dalszego wzrostu temperatury. W nowej wersji 17.4 programów OrCAD i Allegro dostępnych jest kilka praktycznych rozwiązań do analizy i eliminacji lokalnych obszarów (hot spots), w których temperatura jest za wysoka. Przedstawiamy je w tym artykule.

Symulacja elektryczno-termiczna z OrCAD/Allegro 17.4

Wyniki kompleksowej symulacji elektro-termicznej złożonego systemu

Nowa wersja (17.4) narzędzi do projektowania płytek drukowanych firmy Cadence oferuje rozwiązanie problemów termicznych w PCB na dwa sposoby. Z jednej strony jest to rozwiązanie Sigrity Field Solver przeznaczone dla projektanta PCB, które pozwala w łatwy sposób eliminować problemy związane z nagrzewaniem się płytki. Z drugiej strony Cadence oferuje możliwość symulacji całych, złożonych systemów jako całości przy użyciu symulatora Celsius.

Przemiana prądu elektrycznego na ciepło

Zgodnie z prawem Joule’a, ilość wytworzonego przez prąd elektryczny ciepła w danym przewodniku jest proporcjonalna do oporu przewodnika, kwadratu natężenia prądu oraz czasu jego przepływu. Dotyczy to nie tylko prądu stałego, ale także zmieniających się gęstości prądu, które często występują w PCB. Zjawiska termiczne występujące w obwodach drukowanych z bardziej złożonymi w sensie geometrycznym przewodnikami oraz powierzchniami przewodzącymi prąd o nierównomiernym rozkładzie można obliczyć za pomocą metody elementów skończonych. Wyniki takiej analizy określają straty mocy oraz rezystancję torów przewodzących i obszarów zasilania z uwzględnieniem niedoskonałości tych obszarów związanymi z technologicznymi wycięciami czy występowaniem przelotek.

Nagrzewanie się obwodów drukowanych jest dzisiaj coraz bardziej dostrzegalnym i destrukcyjnym efektem, który może prowadzić do lokalnych przeciążeń termicznych we wspomnianych wcześniej hotspotach, a tym samym może wpływać na niezawodność i działanie obwodu. Producenci półprzewodników obniżają napięcia zasilania komponentów zwłaszcza tych dla rynku masowego, aby umożliwić wyższe prędkości transferu oraz zapewnić zasilanie urządzeń bateryjnie. Trend ten powoduje, że wartości prądów zasilających stale rosną, co prowadzi do większego nagrzewania połączeń.

 
Rys. 1. Rozkład prądu od 0,1 do 2,3 A w polu przelotek przed i po optymalizacji

Symulacja obwodów drukowanych bez użycia modeli

Do analizy efektów termicznych można wykorzystać program PowerDC, będący częścią narzędzia Sigrity Field Solver, pozwalający na ekstrakcję złożonych struktur przewodników elektrycznych, izolatorów, cewek i kondensatorów do modelu obliczeniowego. W wersji 17.4 OrCAD/Allegro jest on dostępny jako zintegrowany proces, który bardzo upraszcza przygotowanie projektu do symulacji. Metody można również użyć do projektów wykonanych w innych, popularnych programach do projektowania PCB, wystarczy dane wyeksportować do formatów ODB++ lub IPC-2581. Wystarczy zaledwie kilka minut, aby otrzymać wyniki analizy termicznej. Po określeniu punktu przyłożenia zasilania (VRM) oraz wskazaniu najważniejszych odbiorników prądu wystarczy zaledwie kilka minut, aby otrzymać wyniki analizy termicznej. Wyniki analizy przedstawiają rozkład prądów we wszystkich przewodnikach oraz powierzchniach zasilających, dodatkowo, uwzględnione są również prądy występujące w ścieżkach powrotnych, a dokładnie ich suma wynikająca z możliwego uwzględnienia wielu odbiorników mocy o różnych napięciach zasilania.

Tak złożonych sytuacji nie można już po prostu oszacować, nawet przy dużym doświadczeniu inżyniera. Rzeczywiste geometrie bardzo odbiegają od idealnych, często używanych jako konieczne uproszczenie w trakcie procesu ręcznego oszacowywania. Stąd wycięcia, przelotki i nieidealne warstwy zasilające mogą być dokładnie obliczone wyłącznie przy użyciu analizatorów polowych.

Symulacja przeprowadzona we wczesnej fazie projektu może okazać się˛ najlepszą inwestycją ponieważ identyfikacja błędów lub negatywna weryfikacja przyjętych założeń oszczędza czas i zwykle dużo pieniędzy. Współczesne projekty wymagają zaangażowania specjalistycznej wiedzy z wielu różnych dziedzin co szybko prowadzi do założeń, które często się wykluczają. Urządzenia mają być bardzo wydajne, zminiaturyzowane, a jednocześnie zasilane bateryjnie i niepowodujące dyskomfortu termicznego w kontakcie ze skórą. Już tylko ten przykładowy zestaw założeń dla urządzeń noszonych pokazuje skalę problemów, z którymi inżynierowie muszą się zmierzyć.

Wyniki analizy, które prezentuje Sigrity Field Solver, są bardzo łatwe do interpretacji, dzięki czemu osoby zajmujące się projektowaniem PCB mogą natychmiast zastosować pozyskaną wiedzę do udoskonalenia projektu. Termiczne punkty zapalne (hot spots) wynikające ze złożonej geometrii układu można łatwo rozpoznać dzięki barwnej skali. Lokalne nagrzewanie zależy od gęstości prądu, dlatego ważna jest identyfikacja ścieżek przewodzących, które mogą być zbyt cienkie.

Częstym problemem jest także to, że układ zasilania został zaprojektowany na kilku warstwach połączonych metalizowanymi przelotkami. Jeśli zostaną one umieszczone niekorzystnie z punktu widzenia rzeczywistego rozkładu gęstości prądu, to ten prąd nie będzie, na co może wskazywać intuicja, równomiernie rozłożony na elektrycznie równolegle połączonych przelotkach. Jeśli rozkład prądu jest nierówny, poszczególne otwory przelotowe zostaną przeciążone, co może doprowadzić nawet do ich przepalenia.

 
Rys. 2. Gęstość prądu na ścieżkach właściwych oraz na ścieżce prądu wstecznego

Pole przelotek – symulacja termiczna

Małe napięcia zasilające w podzespołach o dużej wydajności powodują występowanie wyższych prądów na liniach zasilających, nawet rzędu kilku amperów. Jeśli napięcie zasilające jest tylko jedno, można zastosować parę zasilanie-masa na dwóch wydzielonych warstwach PCB. Jeśli natomiast napięć jest więcej, takie proste przyporządkowanie nie jest już możliwe, a poszczególne potencjały muszą być prowadzone jako dodatkowe przewody lub miedziane, szerokie ścieżki.

Następnym wyzwaniem jest zaprojektowanie warstwy masy w ten sposób, aby zapewnić prawidłową ścieżkę powrotu dla sumy prądów od wszystkich źródeł. Ścieżka prądu powrotnego jest obliczana na podstawie sumy poszczególnych prądów dla każdego pinu GND oraz wynikającej z różnych napięć zasilania, które dzielą warstwę GND. Prąd powrotny również prowadzi do nagrzewania się obwodu drukowanego.

 
Rys. 3. Kompleksowa symulacja E-T projektora LCD

Ocena wyników symulacji wykonanej za pomocą Sigrity Field Solver jest bardzo łatwa, ponieważ przelotki są odpowiednio kolorowane (czerwony – gorący, a niebieski – zimny), a dodatkowo można je również precyzyjnie filtrować za pomocą tabeli z wartościami liczbowymi. Wskazówki te są łatwe do zrozumienia dla każdego projektanta PCB, a potencjalne problemy można rozwiązać, zmieniając położenie przelotek lub przez dodanie kolejnych.

W przykładzie z rysunku 1 założono równomierne przewodzenie prądu 10 A przez układ dziewięciu (3×3) przelotek z jednej warstwy do drugiej. Jednak jak widać, w rzeczywistości prądy wahają się od 0,104 A do 2,3 A dla skrajnych wartości dla przelotek oznaczonych kolorami odpowiednio niebieskim i czerwonym. Pobieżna analiza niedziałającej lub uszkodzonej płytki może tu doprowadzić do błędnego wniosku, że mikroprzelotki oderwały się od jednej z dwóch warstw podczas pracy i że winę ponosi wykonawca PCB. Ale przeprowadzona symulacja termiczna wykazała, że prądy nie są równomiernie rozłożone i to jest sedno problemu.

Różnica wartości prądu prowadzi do przeciążenia przelotek z pierwszego rzędu, które odrywają się lub wypalają z powodu dużego obciążenia termicznego. Jeśli uszkodzona przelotka przestanie przewodzić, prąd w pozostałych ośmiu rośnie i ponownie, z powodu nierównomiernego rozkładu prądu, kolejne z nich są nadmiernie obciążane i uszkadzane. Trwa to do momentu zerwania całego połączenia. Ponieważ sekwencja tego procesu nie jest zwykle widoczna po fakcie, a optyczna analiza pokazuje tylko, że wszystkie przelotki są uszkodzone, uzasadnione wydaje się założenie, że wystąpił błąd produkcyjny. Prawdziwą przyczyną był jednak błąd projektowy dystrybucji zasilania. Warto dodać, że żadna kamera termowizyjna nie jest w stanie wykryć naprężeń cieplnych występujących w poszczególnych mikroprzelotkach w wewnętrznych warstwach PCB.

Dzięki Sigrity PowerDC przelotki można łatwo przestawiać, kopiować lub usuwać. Dzięki temu można szybko zrozumieć geometrię łączonych warstw i zoptymalizować połączenia między miedzianymi powierzchniami w ten sposób, aby prąd był rozłożony możliwie równomiernie a wszystkie przelotki były w miarę równomiernie obciążone.

Celsius – termiczna symulacja złożonych systemów

Firma Cadence oferuje nowy program do symulacji złożonych układów termiczno- elektrycznych. Dzięki narzędziu Celsius dostepna staje się nowa metoda symulacji układów termiczno-elektrycznych. Celsius to symulator, który łączy metody elementów skończonych i dynamiki płynów w jednym narzędziu. Wraz z Clarity, Voltus oraz Allegro/Sigrity, złożone systemy składające się z płytek obwodów drukowanych wraz z komponentami oraz obudowy, a nawet wentylatory, mogą być symulowane elektrycznie i termicznie, zarówno statycznie (stan ustalony) jak i czasowo-dynamicznie (stany przejściowe).

 
Rys. 4. Zobrazowanie gęstości prądu, napięć oraz temperatury w złożonym systemie

Celsius opiera się na nowoczesnej architekturze, która wspiera obliczenia oparte na wielowątkowości. W oczywisty sposób pozwala to na minimalizację czasu wymaganego do pracy. Obliczenia można zlecić do chmury obliczeniowej z normalnego komputera ze standardowym procesorem i 16 GB pamięci RAM. Umożliwia to inżynierom przeprowadzanie złożonych symulacji bez konieczności poważnych inwestycji w wydajny sprzęt. Dzięki nowej architekturze i chmurze moc obliczeniową można zwiększać prawie dowolnie. W rezultacie całkowite koszty i czas obliczeń dla przejściowej, szczegółowej symulacji elektrotermicznej złożonego systemu są znacznie zmniejszone i stają się praktycznie dostępne dla wielu użytkowników.

Skrócony czas obliczeń umożliwia optymalizację systemu na wirtualnym prototypie pod względem stabilności termicznej i ekranowania EMC. Otwory w obudowach mogą być parametryzowane w taki sposób, aby uzyskać jednocześnie wymagane ekranowanie oraz zapewnić rozpraszanie ciepła bez zwiększania kosztów.

Oprogramowanie wspiera szeroko stosowane formaty 3D, np. Acis, IGES i STEP, a także Allegro i Sigrity, co ułatwia współpracę między różnymi systemami.

Podsumowanie

Analiza i redukcja efektów termicznych stała się poważnym wyzwaniem projektowym dla systemów elektronicznych, które występują w różnych branżach. W celu realistycznej analizy układów wymagane jest podejście multidyscyplinarne, w którym współbieżna symulacja elektrycznotermiczna jest łączona z analizami MES i CFD. Tradycyjne rozwiązania oferują słabą wydajność obliczeń, przez co ograniczają produktywność i wydłużają czas trwania fazy projektu. Celsius Th ermal Solver ze swoją zaawansowaną architekturą i szerokim zakresem funkcji umożliwia projektantom sprostanie dzisiejszym wyzwaniom termicznym.

 

Tomasz Górecki

FlowCAD
www.FlowCAD.pl

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie