Optimalizace termálního návrhu desky použitím skutečného zatížení součástek

Termální analýzy jsou důležitou součástí návrhu elektronických zařízení, protože výkonové součástky vyžadují odvod tepla pomocí chladičů, větráků apod.

Tyto analýzy jsou často prováděny návrháři spíše se zkušenostmi z mechaniky než elektroniky nebo externími firmami, které se specializují na simulaci proudění tepla a vzduchu. Analýzy vyžadují informace o rozmístění součástek na desce, jejich výkonové ztrátě, materiálu desky, prostorových poměrech a dalších okrajových podmínkách.

Obvykle se při simulacích bere v úvahu maximální ztrátový výkon součástek, který je uveden v katalogových listech výrobce. Problém je, že skutečná výkonová ztráta v daném obvodu je často výrazně nižší, než je její uváděná maximální hodnota. Tato skutečnost vede k předimenzování chladicího mechanismu.

Metody výpočtu

Software firmy BQR zajišťuje několik metod výpočtu a dokumentování skutečného zatížení součástek v hodnotách výkonu, napětí a proudu:

1. Poloautomaticky: elektrické zatížení součástek (stress) může být do programu zadáno ručně, například do ECAD plug-in verze softwaru fiXtress, který navazuje na kreslení schémat v programech Altium, PADS a OrCAD.
2. Automaticky: elektrické zatížení je zjištěno během simulace zatížení součástek v unikátním simulátoru plné verze programu fiXtress.

Výhody použití softwaru od BQR

1. Během analýzy elektrického namáhání součástek mohou být zjištěny chyby v návrhu a dimenzování součástek v daném obvodu, a to ještě před zahájením návrhu desky.
2. Přesné zjištění elektrického namáhání součástek umožňuje optimální návrh desky zaměřený na odvod tepla, při kterém se můžou ušetřit místo a náklady.
3. MTBF výpočty, které fiXtress provádí s použitím přesných hodnot zatížení součástek, zajišťují lepší (vyšší) hodnoty MTBF používané v předpovědi spolehlivosti elektronického obvodu.

Příklady použití

Příklad č. 1 Integrovaný obvod U2a (obr. 1) má maximální ztrátový výkon 6,12 W a z toho vychází jeho teplota přechodu Tj = 137,1 °C. Na základě tohoto údaje bylo rozhodnuto přidat na desku malý větrák. Kromě toho vycházel koeficient selhání součástky Fr (failure rate) na 6,129 (selhání na milion hodin).

Obr. 1 Teplota přechodu Tj a četnost selhání FR pro různou výkonovou ztrátu dané součástky
(záběr na část programu fiXtress)

Použitím skutečné výkonové ztráty zjištěné simulací v programu fiXtress (obr. 1) byla zjištěna teplota přechodu Tj = 95 °C, takže přirozené chlazení bylo dostatečné. Navíc poklesla četnost selhání Fr na hodnotu 0,804 selhání na milionu hodin.

Zde je vidět, že díky použití skutečného ztrátového výkonu bylo možné vynechat původně plánovaný větrák a ještě zvýšit spolehlivost obvodu (MTBF).

Příklad č. 2 Střední doba mezi poruchami (MTBF) desky plošných spojů byla vypočtena jak metodou skutečného (Parts Stress), tak metodou 50% zatížení součástek (Parts Count). MTBF vypočítaná s přihlédnutím ke skutečnému zatížení byla výrazně vyšší (1,5×) − viz obr. 2.

Obr. 2 Porovnání MTBF desky s použitím 50% a skutečného zatížení (Actual Stress)

Více informací o programu fiXtress a ECAD plug-in je na webových stránkách www.bqr.com a www.cadware.cz.