Softvérová podpora pre návrh chladenia

V oblasti elektroniky, od domácej cez „tabletovú“ až po priemyselnú, je dnes doslova najhorúcejším problémom odvod stratového tepla. Neustále zvyšovanie výkonu a pokročilá miniaturizácia prinášajú napriek rastúcej efektivite komponentov zvyšovanie plošného tepelného výkonu, pričom požadovaná pracovná teplota je spravidla nižšia. Platí to tak pre pokročilé CPU, kde maximálna pracovná teplota klesá až k 80 °C, ako aj pre LED systémy, kde sa z dôvodu životnosti požadujú teploty pod 60 °C, či pre osobnú elektroniku, kde teplota krytov nesmie prekročiť 40 °C a už aj takáto teplota je považovaná za diskomfortnú.

Komplexnosť dnešnej produkcie stavia konštruktéra pred nové typy výziev, s ktorými často nemá žiadne praktické skúsenosti. Navyše dochádza k prelínaniu jednotlivých profesií, takže často už nie je možné oddeliť prácu elektrotechnických a strojárskych profesií. Neustály tlak na zvyšovanie efektivity a skracovanie „Time to Market“ núti návrhárov využívať nové netradičné postupy.

Inovatívne postupy prinášajú pokrok vo forme možností riešiť nové typy výziev vznikajúcich pri konštrukcii. Pri využití nových konceptov však konštruktéri na všetkých úrovniach návrhového procesu narážajú na nedostatok praktických skúseností v oblasti technicky neprebádaných riešení. Najvypuklejšou komplikáciou je neexistencia návrhových pravidiel (design rules), teda konštruktérovi chýba základné vodidlo, ako korektne riešiť príslušné technické problémy. Navyše je konštruktér často nútený porušovať konvenčné pravidlá, ktoré sú v danej konštrukcii síce prekonané, no vystavuje sa tým riziku vzniku „školáckych“ chýb, ktoré nebudú včas odhalené. Dochádza teda k situáciám, keď nový typ problému je síce elegantne vyriešený, ale celý návrh je nutné opravovať kvôli banálnej chybe.

Chladenie elektroniky je vo všeobecnosti náročná úloha, ktorá vo väčšine prípadov zásadným spôsobom ovplyvňuje konštrukciu zariadení. V prípade „skriňových“ alebo stolných systémov je spravidla možné mechanickou konštrukciou uspokojivo vyriešiť odvod tepla, no v prípade stiesnených konštrukcií si to často vyžaduje exotické a nákladné riešenia. V prípade, ak je konštrukcia podriadená dizajnu, je často riešenie chladenia na hranici fyzikálnych možností a rozhodujú nie desatiny, ale niekedy až stotiny milimetra. V takýchto prípadoch už konštruktér nemôže požiť osvedčené riešenia na báze „citu“, ale musí často improvizovať v jemu neznámej oblasti. Vývoj riešenia je v takomto prípade zdĺhavý a nákladný, keďže každá väčšia zmena sa spravidla prenesie až na začiatok návrhového procesu. „Klasický“ prístup, keď sa simuloval až hotový návrh, teda už nie je efektívne použiteľný. Navyše masívna virtualizácia celého návrhového procesu umožňuje efektívnu simuláciu a prípadné korekcie prakticky v každom kroku. Je výhodné návrh verifikovať a korigovať už od prvých krokov, aby sa minimalizovala potreba nákladných redesignov.

Aj keď v súčasnosti sú k dispozícii simulačné nástroje prakticky pre všetky riešené úlohy, ich efektívne využívanie je často brzdené príliš konzervatívnym prístupom používateľov. Tradičné, rokmi overené simulačné nástroje poskytujú veľmi kvalitné výstupy s až absurdnou presnosťou, keď chyba výsledkov simulácií sa ráta v desatinách percenta, pričom rozptyl výroby je v lepšom prípade v jednotkách percent. Reálna presnosť simulácií je pritom ovplyvnená veľkým množstvom faktorov a vlastná presnosť výpočtu býva nepodstatná. Oveľa väčší vplyv (pravidlo 80/20) má kvalita použitého modelu, spravidla daná spôsobom importu, a kvalita užívateľa. Z tohto pohľadu majú skutočne pravdu vyznávači tradičného prístupu, keďže práca s komplexným nástrojom vyžaduje skúseného používateľa, ktorý model spravidla pripraví kvalitne a bez chýb. Naproti tomu bežný technik, ktorý dostal k dispozícii simulačný nástroj, dokáže pri príprave modelu spraviť neuveriteľné množstvo hrubých prešľapov. Preto je dôležité, aby použitý softvér umožňoval plne automatickú konverziu modelov, v ideálnom prípade aby bol plne integrovaný do návrhového prostredia. Prax totiž ukazuje, že najväčším praktickým problémom je práve konverzia modelu, ktorá často neprebehne korektne a simulovaný je potom nesprávny model. Často je pre problémy s konverziou od simulácie upustené úplne. Integráciou simulačného nástroja s návrhovým systémom problémy s konverziou odpadávajú a dochádza k zrýchleniu celého procesu o desiatky percent (obr. 1). Kvalita simulácií je následkom neskúsenosti, resp. nevyškolenosti obsluhy generálne nižšia, výsledky však dávajú dobrú predstavu o realite a umožňujú včasné odhalenie omylov, ktoré nutne vznikajú pri obchádzaní konvenčných návrhových pravidiel.

Pre simulácie v oblasti elektroniky sú požívané rôzne viac alebo menej rozšírené softvérové nástroje. Najznámejším a všeobecne používaným nástrojom pre obvodové simulácie je SPICE, ktorý sa stal štandardom pre tento typ simulácií, ba možno dokonca povedať, že výlučným simulačným nástrojom, pričom sa líši len používateľské rozhranie. SPICE je ukážkovým príkladom kvalitného nástroja, ktorý v rukách širokej verejnosti poskytuje neoceniteľné služby, aj keď často so zníženou presnosťou. Ďalším stupňom simulácií v elektronike sú podporné simulácie pri návrhu DPS testujúce presluchy, kvalitu napájania, EMC, teplotné pomery a podobne. Špeciálnym typom tejto skupiny sú nástroje pre simulácie čipov, tu však ide o vysokošpecializované procesy, kde je konzervatívny prístup namieste. Posledným stupňom pri návrhu elektronického zariadenia je jeho fyzická realizácia, teda zakrytovanie, ktoré je síce doménou strojárskej komunity, no v konečnom dôsledku zásadne ovplyvňuje funkčnosť zariadenia, a preto je nutná úzka medziodborová spolupráca, najmä vo fáze ladenia návrhu.

Pre oblasť tepelných simulácií dodáva firma Mentor, A Siemens Business celý rad softvérových nástrojov. Pre oblasť návrhu DPS je to systém HyperLynx umožňujúci komplexnú simuláciu navrhnutej DPS (Power Integrity, Signal Integrity, EMC, Thermal…), ktorý tvorí z hľadiska spôsobu použitia integrovanú súčasť návrhových systémov PADS a Xpedition. Je, samozrejme, možný import aj z iných systémov, stráca sa však výhoda „One Click“ funkcionality.

HyperLynx Thermal umožňuje používateľovi získať rýchly prehľad o teplotných pomeroch na navrhovanej DPS (obr. 2). Jeho praktická presnosť je okolo 10 % a umožňuje iba statické analýzy, no konfigurácia modelu je veľmi rýchla a výsledky sú k dispozícii za pár minút. Pracuje s pokročilými 2R modelmi komponentov, ktoré dokážu zohľadniť radiačné efekty a prípadný prídavný chladič. Tento je však modelovaný iba ako tepelný odpor. DPS je modelovaná spravidla ako anizotrópne teplovodivý materiál, ktorého tepelná vodivosť je daná percentom pokrytia vodivými cestami. V prípade využitia vodivej vrstvy ako chladiacej plochy je DPS možné modelovať podrobne po vrstvách. HyperLynx Thermal umožňuje modelovať aj viacčipové komponenty, vplyv prúdenia vzduchu, upevňovacích skrutiek a podobne.

Simulačné nástroje umožňujúce podrobnejšie simulácie už spadajú do skupiny CFD (dynamika prúdenia kvapalín). Je to dané jednoduchým fyzikálnym faktom, že dominantným spôsobom transportu tepelnej energie v pozemských podmienkach je prúdenie vzduchu.

CFD simulačný nástroj FloTHERM (obr. 3) bol jedným z prvých reálne využiteľných nástrojov pre simuláciu teplotných pomerov a postupom času sa stal nepísaným etalónom v oblasti tepelných simulácií DPS. Aj keď ide o veľmi kvalitný simulačný softvér, jeho architektúra je poplatná dobe vzniku a dnes je už prežitá. Jeho hlavným nedostatkom je skutočnosť, že pre simulovanú DPS je nutné vytvoriť osobitný model. Samozrejme, že v priebehu času vznikli nástroje na automatizovanú tvorbu modelu z podkladov návrhového softvéru, vždy si to však vyžaduje minimálne kontrolu, čo celý proces komplikuje a predlžuje. FloTHERM pracuje so špeciálnymi tepelnými modelmi, vďaka čomu dosahuje vynikajúcu presnosť, jeho využitie je však ťažkopádne a vyžaduje dobre vyškolenú obsluhu. To na druhej strane zaručuje kvalitné výsledky simulácií. FloTHERM obsahuje okrem iného moduly pre generovanie tepelných modelov puzdier IO, ktoré nie sú v internej databáze, či špeciality, ako simulácie prechodu DPS reflow procesom.

Ako odpoveď na požiadavku pružnejšieho simulačného nástroja vytvorila firma Mentor, a Siemens Business CFD nástroj FloTHERM XT. Ide o špecializovaný nástroj na simulácie chladenia elektronických systémov, ktorý je plne integrovaný s ECAD a MCAD systémami. Mechanická časť modelu je preberaná priamo programom, ktorý pracuje na platforme SOLIDWORKS, pričom model dosky je importovaný z návrhového systému PADS alebo Xpedition. Import je plne automatický a umožňuje modelovať DPS až na úrovni vodivých ciest (obr. 4). Takýto model umožňuje následne podrobne simulovať nielen šírenie tepla v štruktúre DPS, ale je možné modelovať aj vznik lokálnych prehriatí následkom joulových strát.

Zaujímavou funkcionalitou je „Smart- Parts“, vďaka ktorej je možné automaticky optimalizovať napríklad aj fyzické rozmery chladičov, keďže ich geometria je automaticky generovaná programom. Týmto nástrojom je možné vytvoriť všetky zásadné komponenty chladenia využívané pri konštrukcii elektronických zariadení. V prostredí FloTHERM XT môže návrhár s využitím funkcionality SMART COMPONENTS (obr. 5) optimalizovať typ, tvar a presné rozmery chladičov, rovnako ako umiestnenie DPS v kryte, overiť spôsob prúdenia, navrhované ventilátory a pod.

Z oblasti mechanických analýz je k dispozícii CFD nástroj FloEFD, ktorý umožňuje širokú škálu simulácií v oblasti prúdenia tekutín a transportu tepla vrátane pokročilých radiačných modelov. FloEFD je dodávané ako Plug-In pre MCAD systémy, čo umožňuje simulácie priamo, bez konverzie modelu. FloEFD umožňuje priebežné analýzy vyvíjaného zariadenia, pričom jeho presnosť je nastaviteľná. Teda v počiatočných štádiách návrhu je možné pomerne rýchlo vykonať veľké množstvo simulácií a „What If“ analýz, na základe ich výsledkov určiť smer vývoja a na záver vykonať podrobné a presné simulácie výsledného návrhu. FloEFD nie je nástroj určený primárne pre riešenie problémov s chladením elektronických zariadení, obsahuje však moduly pre podporu práce v tejto oblasti. Okrem možnosti importu geometrie DPS z návrhového systému rovnakým nástrojom ako FloTHERM XT, teda až na úrovni vodivých ciest, umožňuje napríklad modelovať prietok prúdu vodivými materiálmi a s tým spojený vývin tepla. Okrem toho obsahuje kompletné fyzikálne modelovanie prúdenia reálnych kvapalín a plynov vrátane ich zmesí, obsahu pár kondenzácie, vyparovania a vplyvu na prenos tepla. Prúdenie je možné modelovať až do oblasti hypersonických rýchlostí vrátane termálnych, ionizačných a disociačných efektov. Program umožňuje modelovanie rotujúcich komponentov, teda používateľ môže modelovať reálne správanie ventilátorov aj v neštandardných podmienkach. FloEFD umožňuje okrem iného aj simulácie takých efektov, ako je kondenzácia vodných pár či vznik námrazy v systémoch s teplotným gradientom, ako napríklad automobilové reflektory (obr. 6).

Samozrejme, merania na prototype žiaden softvér nenahradí, no pri správnom využití týchto simulačných nástrojov je možné veľmi presne predikovať výsledky, čo protypovú fázu prakticky redukuje len na overenie výsledkov simulácií.