Efektywne wykorzystanie symulacji E/T w procesie projektowania PCB
| TechnikaPobór prądu i mocy stają się krytycznymi, wąskimi gardłami w rozwoju elektroniki, szczególnie w nowoczesnych zastosowaniach przemysłowych. Konstrukcje wysokoprądowe i dużej mocy są podatne na skoki temperatury, które mogą powodować poważne problemy, zwłaszcza jeśli nie zostaną uwzględnione na wczesnym etapie projektowania. Problemy te pogłębia fakt, że coraz więcej aplikacji korzysta z zasilania akumulatorowego, co sprawia, że efektywne zużycie energii jest kolejnym krytycznym parametrem wielu nowoczesnych projektów.
Z powyższego wprowadzenia wynika, że optymalizacja projektu PCB powinna następować tak wcześnie, jak to możliwe, ale także podczas różnych, późniejszych faz rozwoju. Jednocześnie ważne jest identyfikowanie i naprawianie błędów projektowych.
Ogrzewanie PCB prądem elektrycznym
Zgodnie z prawem Ohma (U = R ∙ I), prąd przepływający przez rezystancję powoduje spadek napięcia. Wysoki spadek może przyczynić się do nagrzania płytki drukowanej (PCB). Efekt ten nazywany jest również ogrzewaniem Joule’a, znanym też jako ogrzewanie omowe.
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik oporowy (taki jak drut), elektrony w przewodniku zderzają się z atomami i innymi elektronami, tworząc energię w postaci ciepła.
Ze względu na konsekwentne zmniejszanie napięć zasilających elementy półprzewodnikowe, np. w celu umożliwienia wyższych prędkości transmisji, zwiększają się prądy w systemie zasilania obwodów elektrycznych. Te wyższe prądy w płytce PCB prowadzą do jej samonagrzewania – jest to coraz bardziej zakłócający efekt, który może prowadzić do lokalnych przeciążeń w tzw. gorących punktach, a tym samym wpływać na niezawodność i działanie całego urządzenia.
W elementach i konstrukcjach elektronicznych występują różne typy mechanizmów wymiany ciepła. Zrozumienie ich jest niezbędne, aby zapewnić prawidłowe działanie i zapobiec przegrzaniu podzespołów. Główne metody wymiany ciepła w elementach elektronicznych to:
- przewodzenie (np. elektryczna płyta kuchenna),
- konwekcja (np. suszarka do włosów),
- promieniowanie (np. światło słoneczne).
Projektowanie uwzględniające wpływ nagrzewania
Projektanci PCB często korzystają z projektów referencyjnych. Co jednak należy zmienić, aby dopasować punkt początkowy, czyli gotowy projekt referencyjny do własnych warunków brzegowych? Jakie optymalizacje projektu należy wprowadzić, aby zapewnić prawidłowe działanie produktu końcowego? W wielu przypadkach informacje producenta muszą zostać dostosowane z bardziej idealnych warunków brzegowych do specyficznych właściwości konkretnego produktu. Do tego celu nadają się różne narzędzia symulacyjne, które można wykorzystać do dostosowania lub rozszerzenia istniejących zestawów reguł projektowych (DRC).
Wybór elementów ma oczywiście decydujący wpływ na projekt. Ważne jest, aby mieć pewność, że wybrane komponenty zawsze spełniają wymagane, docelowe parametry, w każdych warunkach środowiskowych. Należy wziąć pod uwagę także aspekt kosztów. Najtańszy komponent nie zawsze jest najlepszym wyborem na poziomie systemu. Niedrogi komponent może wymagać dodatkowych rozwiązań chłodzących, takich jak radiatory lub dodatkowe aktywne chłodzenie.
Σ tani komponent € + radiator €€ = €€€ > droższy komponent = €€
Dlatego też na wczesnym etapie należy znaleźć rozsądny kompromis pomiędzy kosztami a spodziewanymi korzyściami.
Podczas opracowywania schematów symulacje obwodowe typu SPICE mogą pomóc w obliczeniu temperatur oraz doborze odpowiednich elementów elektronicznych, biorąc pod uwagę nagrzewanie i przewidywaną temperaturę otoczenia, tak aby mogły one bezpiecznie pracować.
Tzw. analizę PSpice Smoke można wykorzystać do identyfikacji komponentów, które mogą być poddane warunkom pracy niezgodnymi z ich specyfikacją lub nawet zostać zniszczone. Pozwala to na bardzo wczesną identyfikację elementów niekoniecznie nadających się do zastosowania.
Na późniejszym etapie, podczas procesu projektowania PCB, w znalezieniu krytycznych miejsc na płytce wspiera inżyniera oprogramowanie Sigrity Aurora In-Design. Projektant może wykorzystać analizę spadku DC dostępną w łatwym w interpretacji widoku w edytorze PCB – tak, aby szybko zidentyfikować tego rodzaju gorące punkty i od razu je przeprojektować.
Redukując takie spadki napięcia, spowodowane nieoptymalnym sposobem projektowania PCB , zmniejsza się straty mocy całej płytki, jednocześnie zwiększając efektywność energetyczną.
Jednakże, jak już wspomniano wcześniej, wysokie gęstości prądu prowadzą do nagrzewania się płytki drukowanej we wskazanych obszarach. Te niekorzystne efekty termiczne występujące na płytce, a także termiczne zachowanie się elementów, można następnie bardzo dokładnie przeanalizować za pomocą kosymulacji symulacji (E/T).
Dostępna jest również zaawansowana analiza na poziomie systemu, która umożliwia projektantom badanie i ocenę efektów cieplnych złożonych struktur 3D, biorąc pod uwagę koncepcje aktywnego chłodzenia oraz różne kształty i materiały obudowy. Metody te nie są szczegółowo omawiane w tym artykule.
Analiza PSpice Smoke: określanie odpowiednich termicznie komponentów
Wybrane komponenty nie mogą być eksploatowane na granicy dopuszczalnego obciążenia, ani tym bardziej zostać zniszczone na skutek przeciążenia termicznego.
Analiza PSpice Smoke pokazuje, czy komponent może z czasem ulec uszkodzeniu z powodu procesu starzenia lub naprężenia termicznego. Analiza Smoke prezentuje w formie tabeli, czy elementy eksploatowane są poza dopuszczalnymi warunkami pracy. Na podstawie szczególnie krytycznych parametrów da się określić środki naprawcze.
Kosymulacja elektrotermiczna układu zasilania
Kosymulacja E/T służy jako technologia pomostowa między inżynierami elektronikami a ekspertami w dziedzinie analizy termicznej. Skuteczna współpraca między różnymi kompetencjami na możliwie wczesnym etapie procesu projektowania pozwala uniknąć poważnych błędów. Omawiane kosymulacje E/T nie wymagają modeli symulacyjnych, a konfigurację samej symulacji można łatwo utworzyć.
Celem tej analizy jest identyfikacja i korekta obszarów krytycznych pod względem elektrycznym i termicznym podczas projektowania. Wyniki symulacji przedstawione poniżej zostały obliczone i utworzone przy użyciu pakietu oprogramowania Cadence Celcius Thermal Solver.
Wąskie połączenie na ścieżce zasilania widać dość wyraźnie na rys. 5. Jednak dodane przelotki jeszcze bardziej zawężają ten kanał. Powoduje to duży przepływ prądu w tym wąskim miejscu i odpowiednio duży spadek napięcia. Spadek napięcia, jak i gęstość prądu również pokazano na rys. 5.
Poszerzając to wąskie gardło, spadek napięcia można zredukować o ok. 30%, a gęstość prądu o ponad 50%.
Jak już wspomniano, straty omowe powodują spadek napięcia zasilającego, a jednocześnie prąd lub gęstość prądu generuje ciepło w płytce drukowanej, co prowadzi do zmiany parametrów płytki drukowanej zależnych od temperatury.
Wartość gęstości prądu jest wykorzystywana w kosymulacji E/T jako parametr wejściowy do analizy termicznej. Jej wynik jest z kolei wykorzystywany jako parametr wejściowy do kolejnej analizy spadku nacięcia IR. Ten dynamiczny, iteracyjny proces trwa aż do osiągnięcia stanu ustalonego.
Zgodnie z oczekiwaniami zwężenie prowadzi do wzrostu temperatury, który można ograniczyć poprzez odpowiednie poszerzenie struktury. W ten sposób możliwe jest stopniowe udoskonalanie projektu bez bardzo kosztownej analizy fizycznych prototypów.
Analiza What-if
W procesie symulacji da się również uwzględnić wpływ wykorzystania wirtualnych radiatorów. Przykładowo, zachowanie obwodu można obserwować przy różnych geometriach wirtualnego radiatora, tak aby uzyskać najlepszy efekt. Zmiana grubości miedzi lub położenia elementów termicznych również potrafi znacząco przyczynić się do podjęcia korzystnych decyzji w procesie projektowania.
Podsumowanie i najważniejsze wnioski
Dzięki kosymulacji E/T możliwe staje się wczesne uwzględnienie w procesie projektowania istotnych parametrów elektrycznych i termicznych, przy dość rozsądnym nakładzie pracy. Na podstawie tych ustaleń jesteśmy w stanie dokonać optymalizacji projektu, co skutkuje wyższą wydajnością oraz wydłużeniem żywotności produktu.
Wszystkie zaprezentowane metody pozwalają zaoszczędzić czas, identyfikując potencjalne problemy na wczesnym etapie. Symulacje pomagają zapewnić spełnienie określonych wymagań. Pozwalają na redukcję kosztów całego procesu, które bez zastosowania symulacji wzrosłyby w wyniku przeróbek, przeprojektowań lub konieczności badania kolejnych prototypów.
Przykłady z branży elektronicznej często dowodzą, że wyniki symulacji bardzo dobrze korelują z wartościami fizycznie zmierzonymi. Warto w tym miejscu przytoczyć jeden przykład, choć jego szczegółowe omówienie wykraczałoby daleko poza zakres tego artykułu [1].
Dirk Linnenbrügger, inżynier aplikacyjny w firmie FlowCAD
[1] Optymalizacja termiczna płytki PCB dużej mocy, Whitepaper: Cadence, STMicroelectronics, 2022
FlowCAD
www.FlowCAD.pl
