Tranzientná elektrotermická kosimulácia s OrCAD/Allegro 17.4

Tepelné efekty sú už niekoľko rokov limitujúcim faktorom v elektronike. Obmedzujú rýchlosť procesov, pričom výkon je najdôležitejšou veličinou pre mobilné prístroje a výpočtové strediská. Elektromobilita a neustály vývoj informačných systémov v automobiloch predstavujú pre elektrotechnikov ďalšie termické výzvy. Narastajúce požiadavky na návrh s vyšším dátovým prenosovým výkonom pri nižšom elektrickom napájaní prinášajú zvýšenie elektrických prúdov v systéme a na doske plošných spojov, čo prispieva k ďalšiemu zahrievaniu. S novým OrCAD a Allegro verziou 17.4 ponúka FlowCAD viacero praktických riešení pre analýzu a odstránenie elektrotermických hotspotov a ich príčin.

Nová verzia 17.4 z nástrojov PCB Design od Cadence adresuje termické výzvy dvoma spôsobmi: prvým je riešenie pre návrhára dosiek plošných spojov, ktoré mu umožňuje dimenzovať návrh zariadenia robustnejšie a zabrániť lokálnym hotspotom. Po druhé, komplexnejšie systémy je možné zachytiť, analyzovať a spoľahlivo navrhnúť ako celok, teda v súlade s aktuálnym trendom.

Zahrievanie elektrickým prúdom

Už v roku 1840 opísal britský pivovarník a prírodovedec James Prescott Joule vo svojom prvom zákone (Joulovo teplo), že elektrický prúd v elektrickom vodiči vytvára tepelnú energiu. Na jeho počesť sa jednotka energie v SI sústave pomenovala „Joul“. Jeho zákon opisuje prechodový proces ohmických strát, teda že elektrický vodič sa prietokom elektrického prúdu zahrieva a tým kontinuálne mení ohmický odpor, čím zas ovplyvňuje prúdovú hustotu, a toto prebieha dovtedy, kým sa nenastaví rovnováha. Platí to nielen pre jednosmerný prúd, ale aj pre meniace sa prúdové hustoty, ktoré sa dnes vyskytujú na doskách plošných spojov. Na PCB doskách s komplexnejšími geometrickými vodičmi a vodivými plochami s nerovnomerným rozložením prúdu sa prúdová hustota musí vypočítať napr. metódou konečných prvkov (Finite element method – FEM), aby bolo možné určiť odpor a stratový výkon spojov alebo napájacích plôch.

Zahrievanie dosky plošných spojov predstavuje dnes čoraz rušivejší efekt, ktorý môže viesť k lokálnym preťaženiam na hotspotoch a ovplyvňuje tak spoľahlivosť a funkciu elektrického zariadenia. Keďže výrobcovia polovodičov pre masový trh znižujú napájacie napätie, aby umožnili vyšší dátový prenos a napájanie batériou, zvyšujú sa prúdy v napájacom systéme elektrických obvodov. Vyššie elektrické prúdy vo vodičoch na doske plošných spojov vedú k ich vlastnému zahrievaniu.

Simulácia dosky plošných spojov bez modelov

V termickom riešení pre PCB Designer „PowerDC“ ide o simuláciu jednosmerného napätia, pri ktorej sa používa field solwer Sigrity od Cadence na extrakciu komplexnejších štruktúr elektrických vodičov, izolantov, indukčností a kapacít do výpočtového modelu. V OrCAD/Allegro verzii 17.4 je tento proces integrovaný, čo nasadenie simulácie ešte viac zjednodušuje. Navyše, toto riešenie je vhodné aj pre návrhy z iných PCB systémov, ktoré dokážu exportovať údaje prostredníctvom rozhrania ODB++, resp. IPC-2581. V priebehu niekoľkých minút je simulácia, pozostávajúca z rozloženia vrstiev, napájacích napätí (VRM) a nevyhnutných spotrebičov, nastavená a k dispozícii sú výsledky termickej analýzy.

V simulácii sa počítajú elektrické prúdy na vodičoch a plochách, a tiež spätné prúdy v zemniacom systéme. Pritom sa zohľadňuje nadmerná koncentrácia spätného prúdu rôznych spotrebičov s rôznym napájacím napätím. Takéto komplexné situácie už nedokáže odhadnúť ani skúsený návrhár. Preto sa nie ideálne pomery, ktoré vznikajú napr. v dôsledku drážok v doske, prekovení a paralelného zapojenia zemniacich vrstiev, musia vypočítať cez field solver.

Výsledky sa dajú veľmi jednoducho interpretovať, takže návrhári môžu poznatky okamžite zapracovať do vylepšenia návrhu. Termické hotspoty, ktoré vznikajú v dôsledku geometrie návrhu, sú ľahko identifikovateľné vďaka farebnému označeniu. Toto lokálne zahrievanie závisí od prúdovej hustoty. Môže pritom ísť napríklad o vodiče, ktoré sú nedostatočne dimenzované na vysoký prúd. Častým problémom je, že obvod napájacieho prúdu (power loop) je realizovaný vo viacerých vrstvách s prekoveniami. Ak sú vodiče z hľadiska rozloženia prúdovej hustoty umiestnené nevhodne, prúd sa na paralelne zapojené prekovenia nerozdeľuje rovnomerne, pretože ohmický odpor medených spojov vytvára delič napätia. Pri nerovnomernom rozdelení prúdu sa jednotlivé prekovenia preťažujú a v dlhšej prevádzke sa „prepália“.

OO Termická simulácia polí prekovení

Rôzne a čoraz nižšie napájacie napätia pre procesory a FPGA prinášajú nové výzvy v oblasti PCB návrhu. Nižšie napätia v prípade vysokovýkonných komponentov spôsobujú vyššie prúdy na napájacích vodičoch rádovo o niekoľko ampérov. V prípade len jedného napájacieho napätia mohol byť na tento účel použitý jeden pár vrstiev napájanie/zem. Ak sú na jednej doske plošných spojov rôzne napájacie potenciály, už to nie je možné. Napájacie napätia teda musia byť vedené prostredníctvom širokých vodičov alebo medených plôch v jednej vrstve od konektora až po spotrebič. Treba pritom dbať na prierez vodiča, ktorý závisí od hrúbky medi (napr. 35 μm) a šírky vodiča.

Druhou novou výzvou je dimenzácia zemniacej vrstvy. Tok spätného prúdu sa vypočíta zo súčtu jednotlivých prúdov každého GND pinu a súčtu rôznych napájacích napätí, ktoré majú spoločný GND systém. Aj tu preteká prúd a straty vedú k zahrievaniu dosky plošných spojov.

Vyhodnotenie je veľmi jednoduché, lebo jednak sú prekovenia zobrazené v náhľade farebne (červená = horúce, modrá = studené), ale tiež sa dajú zobraziť formou tabuľky s roztriedenými číselnými hodnotami, čo umožňuje cielené zobrazenie hotspotov v návrhu. Pre návrhára je toto zobrazenie rýchlo pochopiteľné a problémy môže vyriešiť premiestnením prekovení alebo použitím ďalších prekovení.

Pri uvedenom príklade (obr. 1) bolo zámerom previesť 10-ampérový prúd rovnomerne z jednej vrstvy do druhej prostredníctvom deviatich prekovení v 3× 3-maticovom usporiadaní prekovení. Prúdy sú však rôzne, od 0,104 A pri modrom až po 2,3 A pri červenom prekovení.

Chybový obraz často vyzerá tak, že v prevádzke sa mikroprekovenia na jednej z týchto dvoch vrstiev prerušia. Potom veľmi rýchlo vzniká dojem, že výrobca dosiek plošných spojov neovláda proces mikroprekovenia. Ak sa však prekovenia prerušia aj po prechode k inému výrobcovi, návrhári tejto technológii celkovo prestanú dôverovať a budú používať THT prekovenia, náročnejšie na priestor a s nevyužitými výčnelkami. Termická kontrola pritom ukazuje, že prúdy nie sú rovnomerne rozložené.

Rozdielnosť prúdov vedie k preťaženiu prvého prekovenia, ktoré sa pri tepelnej záťaži prepáli a preruší. Keď prvé prekovenie vypadne, narastie prúd vo zvyšných ôsmich prekoveniach a v dôsledku nerovnomerného rozloženia prúdu budú znova nadmerne zaťažené ďalšie prekovenia. Toto prebieha dovtedy, kým sa nepreruší celé pole prekovenia. Keďže časový priebeh nie je viditeľný a pri analýze je vidieť len to, že sa pretrhlo celé pole, predpokladá sa, že je to chyba výrobcu, hoci príčinou bola chyba návrhu napájacieho systému. Tepelné zaťaženie jednotlivých mikroprekovení na vnútorných vrstvách sa nedá zachytiť žiadnou termokamerou.

Pomocou Sigrity PowerDC sa dajú prekovenia medzi dvoma simuláciami ľahko usporiadať nanovo, skopírovať alebo vymazať. Takto návrhár rýchlo získa cit pre geometriu oboch vrstiev, ktoré sa majú prepojiť, a pomocou prekovení môže optimalizovať medené plochy tak, aby bol prúd rozložený čo najrovnomernejšie a zaťažoval všetky prekovenia rovnako.

Prúdová hustota sa dá analyzovať a zobraziť pre jeden elektrický obvod, resp. súčasne pre viaceré prúdové obvody. V minulosti sa napájacie systémy zväčša zanedbávali, ale dnešné vyššie prúdy, rôzne napájacie napätia a miniaturizácia si vyžadujú pri väčšine dosiek plošných spojov podrobnejšie skúmanie. Skúsenosti ukazujú, že mnohé tepelné a EMV problémy sú spôsobené použitím nevhodného systému elektrického napájania.

Tranzientná simulácia komplexných systémov

S nástrojom „Celsius“ predstavil Cadence nový produkt pre termoelektrické systémy. Celsius je termický field solver, ktorý v jednom nástroji kombinuje metódy Finite Elements (FEM) a Computational Fluid Dynamics (CFD). Spolu s Clarity, Voltus a Allegro/Sigrity je možné simulovať komplexné systémy z dosiek plošných spojov s komponentmi (IC a Package) a tiež skriniek a ventilátorov, vzhľadom na elektrické a tepelné vlastnosti. Vzájomné pôsobenie prúdu a zahrievania je zobrazené realisticky. Pritom je možné vykonávať statické (steady-state) i časovo-dynamické (tranzientné) zmeny v elektrotermickej kosimulácii aj pre komplexné systémy.

Nový nástroj Celsius Thermal Solver je založený na novodobej architektúre, ktorá umožňuje paralelizáciu a minimalizuje tak operačný čas, ktorý sa zvyšuje s narastajúcou komplexnosťou. Paralelizácia môže byť pri normálnom počítači so štandardným CPU a 16 GB RAM presunutá do cloudu. Vďaka tomu môžu firmy vykonávať simulácie za veľmi výhodné ceny hardvéru. Nová architektúra umožňuje masívne a pritom takmer lineárne zvyšovanie operačnej rýchlosti, lebo je možné rozloženie na ľubovoľné množstvo počítačov.

Takto sa značne znížia celkové náklady a operačné časy pre tranzientnú detailnú elektrotermickú simuláciu komplexného systému a zrazu začnú byť zaujímavé pre mnohých používateľov.

Kratšie operačné časy umožňujú optimalizovať systém na virtuálnom prototype vzhľadom na tepelnú stabilitu a tienenie EMV. Otvory na puzdrá súčiastok sa napr. dajú dimenzovať tak, že teplo bude odvádzané a tienenie EMV bude napriek tomu zabezpečené, pričom náklady sa nezvýšia.

Celsius Thermal Solver disponuje mechanickým 3D spracovaním, do ktorého sa dajú načítať údaje z bežných mCAD systémov, napr. cez formáty ako Acis, IGES a STEP alebo Allegro a Sigrity.

Vývojári sú teda schopní špecifikovať a simulovať systémy, ktoré spracúvajú presné veľkosti obrazcov integrovaných obvodov a zároveň celkové veľkosti simulácie až po kompletný systém so skrinkami.

Zhrnutie

Analýza a zníženie tepelných efektov sa medzičasom stali ústrednou úlohou vo vývoji elektronických systémov, ktorá sa objavuje na mnohých trhoch. Pre realistickú analýzu systémov je potrebný multifyzikálny prístup, ktorý kombinuje elektrotermickú kosimuláciu s analýzami FEM a CFD. Doterajšie riešenia ponúkajú rýchlosť, kapacitu a parametre výpočtov, ktoré obmedzujú produktivitu a predlžujú čas trvania projektu. Celsius Thermal Solver so svojou pokrokovou architektúrou a širokým rozsahom funkcií umožňuje vývojárom elektronických systémov čeliť dnešným termickým výzvam.