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PCB设计中的CFD建模和仿真


CFD建模和仿真如何适合PCB电路板设计
PCB电路板设计中当大功率组件全速运行时,新的PCB电路板布局将变得非常热。MOSFET,CPU,FPGA,大电流RF组件,LED和许多其他组件会变得很热,以至于在运行过程中会被烧毁。如果连接不正确,即使是简单的LM系列运算放大器也会烧毁自身。散热器是防止有源组件烧坏的第一道防线,但您可能需要采取其他措施来防止温度过高。
电热模拟告诉您由于不同组件中的电压/电流,电路板将如何加热。所有组件,即使是纯电抗性的组件(例如电容器和电感器),都具有一些电阻性阻抗组件,并且会以热量的形式耗散功率。通过定义每个组件作为PCB中的热源的散热,CFD建模和仿真从IC封装级别开始。定义了热源后,您可以检查热量如何在整个电路板上的其他地方转移到设备外壳中,并最终转移到周围环境中。
CFD建模的流程
下图显示了如何将电热协同仿真用作CFD建模和仿真的一部分,以及对这些仿真中使用的不同类型求解器的比较。每种类型的求解器(例如,FEA,FEM,FVM,FDTD和网络模型)在电热仿真和CFD中都有其位置,它们之间的总体差异是仿真和收敛时间。


仅当您在板上定义热源时,以上模拟流程才有效。这是通过导电分析和导热分析步骤完成的,这些步骤将组件的导热系数与电流密度和热量产生联系起来。通常,这可以使用具有标准数值技术的常规场求解器来完成,也可以使用泄漏电流值(对于有源器件)来估算电路板上产生的总热量。对于电阻器和其他无源元件,您只需使用欧姆定律和标准功耗方程来确定运行期间产生的热量。
CFD建模和仿真的总体流程可分为以下步骤。这种类型的建模是在创建PCB布局并将已验证的组件模型导入到板上以进行仿真之后发生的。 
1、使用组件(包括无源器件和半导体管芯)中的功耗确定进入系统的热源
2、模拟从封装到周围PCB的热传导
3、通过气流模拟热量从热区传递到冷区的过程 
这是一个经典的多物理场问题,在多个物理现象和电路板区域之间具有反馈,如下图所示。注意,在此仿真流程图中未考虑功率输出与其他电气特性的温度依赖性。这将在模拟的CFD部分和热源定义之间创建一个新的反馈回路。


在CFD建模和仿真中将IC功耗定义为源。然后,您可以检查离开木板和3D封装的强制或自然气流。这在系统的不同部分和不同的物理现象之间创建了一个反馈回路。

其他问题中的边界元法
如果我们要使用有限元或有限差分方法执行整个模拟,则复杂PCB的整个模拟将花费大量时间。对于具有精细离散度的复杂系统,典型的仿真时间可以达到数小时。在这里,使用了一种更好的方法来模拟组件之间的热流。
可以使用一些标准的数值技术来提取电路网络模型,并且可以将相同的方法应用于通过流体流动的热传导和热传递。通过数值提取复杂系统中的热流和流体流动回路,可以大大减少仿真时间。强大的模拟器已经为复杂3D系统中的关键区域提供了从粗到粗的离散化调整,下一代求解器将采用网络方法来解决这些类型的多物理场问题。

2021-03-02
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