Simulácia teplotných pomerov na DPS v prostredí HyperLynx Thermal

Súčasný trend miniaturizácie elektronických zariadení stavia konštruktéra před množstvo (staro)nových problémov. Jedným z nich sú aj zvyšujúce sa nároky na tepelný manažment, keďže miniaturizácia zariadení a s tým spojené nahustenie komponentov ide ruka v ruke s nárastom výkonovej hustoty v zariadení, následkom čoho dochádza k zvýšeniu pracovnej teploty.

Nárast pracovnej teploty prináša okrem iných problémov aj zníženie spoľahlivosti, keďže nárast pracovnej teploty komponentov o 10 °C znižuje strednú dobu medzi poruchami komponentov až o 50 %.

Najefektívnejším riešením týchto problémov je ich minimalizácia už vo fáze návrhu. Aj keď skúsený konštruktér má túto funkciu takpovediac „integrovanú“, mnohokrát ho zaskočí použitie nových typov komponentov, s ktorými nemá skúsenosti, dodatočné zmeny pod časovým tlakom a z toho vyplývajúca nepozornosť či jednoducho fakt, že ide o natoľko komplexný systém, že ho navrhuje tím, ktorý nemôže vzájomne konzultovať všetky aspekty návrhu. V týchto prípadoch sa s výhodou uplatňujú súčasti návrhových systémov umožňujúce tepelnú analýzu navrhovaného zariadenia.

Analýza rozloženia teploty na DPS už v priebehu návrhu prináša možnosť včasnej optimalizácie návrhu. Vďaka možnosti simulácie a vizualizácie rozloženia teploty na DPS je možné predikovať problémové oblasti a vhodným konštrukčným zásahom zlepšiť odvod tepla, a teda aj znížiť pracovnú teplotu komponentov a tepelné namáhanie substrátu. Vďaka tomu je možné optimalizovať pracovnú teplotu komponentov už vo fáze návrhu, čo prináša zásadné zvýšenie spoľahlivosti elektronických zariadení pri minimálnych nákladoch potrebných na modifikáciu prototypu.

Kým pri použití THT výkonových komponentov bolo možné prípadné problémy relatívne jednoducho riešiť pridaním alebo zväčšením chladiča, nasadením núteného obehu vzduchu či v najhoršom prípade peltierových článkov, v prípade použitia SMT komponentov sú takéto úpravy často nemožné.

Simulácia teplotných polí

Na simuláciu teplotných polí v elektronických zariadeniach je dostupných viacero profesionálnych softvérových nástrojov. Od jednoduchých, poskytujúcich len základnú analýzu v statickom režime, cez komplexnejšie, umožňujúce simuláciu prechodových a dynamických dejov, až po programy pracujúce s podrobnými fyzikálnymi modelmi, umožňujúce vernú simuláciu vrátane vzájomného ovplyvňovania komponentov konvexiou a radiáciou.

Obr. 1 Pracovné prostredie programu HyperLynx

Výhodou jednoduchších je rýchla orientačná simulácia teplotných pomerov umožňujúca odhalenie rizikových miest s prílišným nahustením výkonových prvkov. Programy tohto typu je možné jednoducho prepojiť s najpoužívanejšími CAD systémami pre návrh DPS. V mnohých prípadoch sú priamo súčasťou týchto systémov, aj keď zväčša ide o osobitne platený modul. Spravidla obsahujú dostatočne presné modely používaných komponentov.

Komplexnejšie nástroje sa uplatňujú pri simuláciách zariadení, ktoré sú určené na prácu v zložitejších podmienkach alebo v režime, kde dochádza ku krátkodobému preťažovaniu zariadenia. V takýchto prípadoch je nutné skúmať teplotné polia v dynamickom režime a uvažovať aj tepelné kapacity, zmeny prúdenia vzduchu následkom ohrevu a podobne. Tento typ simulačných programov je spravidla distribuovaný ako samostatný program s možnosťou importu z iných CAD systémov. Problematickým sa vzhľadom na požadovanú presnosť simulácií javí aj použitie knižničných modelov.

Poslednú, najvyššiu triedu predstavujú nástroje schopné simulácie na základe podrobných fyzikálnych modelov. Hovoriť o modeloch je v tomto prípade problematické. Programy zväčša obsahujú databázu materiálov s ich fyzikálnymi charakteristikami. Výsledný objekt je potom reprezentovaný ako objekt poskladaný z konečného počtu elementov známych fyzikálnych vlastností. Vzhľadom na požadovanú presnosť simulácií je absencia modelov logická, keďže každá simulácia si vyžaduje individuálny prístup.

Softvérový nástroj HyperLynx® Thermal

Softvér HyperLynx® Thermal od společnosti MentorGraphic® umožňuje návrhárom tepelnú analýzu DPS už v ranej fáze návrhu. Je primárne určený pre modul PADS slúžiaci na návrh DPS, no vďaka integrovanému prekladaču umožňuje import aj z iných návrhových systémov. Grafické prostredie programu HyperLynx Thermal (obr. 1) je jednoduché a intuitívne.

Ide o klasický program pre Windows platformu. V programe je možné nastavovať množstvo aspektov vplývajúcich na výslednú simuláciu. Umožňuje prácu tak s jednovrstvovými, jako aj s viacvrstvovými DPS vrátane použitia špeciálnych substrátov. Knižnice obsahujú štandardne používané materiály (FR4 a pod.) i databázu materiálov pre zostavenie substrátu podľa špecifických potrieb návrhára. V nastaveniach substrátu je možné nastaviť použité materiály pre jednotlivé vrstvy DPS, taktiež hrúbku jednotlivých vrstiev, konduktivitu, teplotné limity vrstvy a jej maximálnu veľkosť.

Softvér umožňuje prácu s plnou 3D moduláciou komplexného prúdenia a teplotných polí. Modeluje vplyvy konvekcie a radiácie s presnosťou ± 10 %. Táto presnosť bola experimentálne overovaná pri vývoji softvéru v aerodynamickom tuneli za pomoci infračervenej kamery [1]. Je možné pracovať s DPS ľubovoľného tvaru, pričom program při výpočtoch zohľadňuje prostredie, v ktorom je doska umiestnená.

Obr. 2 Okno s nastaveniami parametrov prostredia a uloženia DPS

Nastavenia prostredia sa delia do troch základných blokov (obr. 2):

– „Environment conditions“ – Umožňuje nastavenie parametrov pracovného prostredia. Okrem základných parametrov, ako je teplota, tlak a vlhkosť vzduchu, cez nastavenie rýchlosti a smeru prúdenia vzduchu až po pomerne exotický parameter veľkosti gravitačného zrýchlenia.

– „Casing“ – definuje umiestnenie dosky vo vyššom konštrukčnom celku. Umožňuje nastavenie fyzického umiestnenia dosky (voľne uložená, umiestnená na podložke alebo v ráme) vrátane vzdialenosti medzi jednotlivými doskami, otočenie dosky vzhľadom na smer gravitácie, teplotu a stratový výkon okolitých dosiek a pod.

– Voľba „analysis“ slúži na nastavenie presnosti výpočtov simulácie. Pomocou tejto voľby je možné pri zložitejších celkoch ušetriť čas potrebný na simuláciu na úkor zníženia presnosti.

Obr. 3 Okno editácie komponentu

Pri simulácii je potrebné nastaviť parametre jednotlivých komponentov použitých v návrhu. Tieto nastavenia sú možné pre každú súčiastku zvlášť, no je možné nastaviť rovnaké parametre aj pre celú skupinu komponentov. Program ponúka nastavenie, ktoré je rozdelené do piatich blokov (obr. 3):

– „General“ – Umožňuje nastavenie typu súčiastky – IO, chladič, skrutka, tepelná trubica…

– „Pins“ – nastavenie počtu, rozmeru a materiálu vývodov.

– „Gap“ – nastavenie parametrov medzery medzi súčiastkou a chladičom (hrúbka medzery a jej tepelná vodivosť).

– „Geometry“ – geometrické rozmery súčiastky.

– „Thermal parameters“ – tepelné vlastnosti puzdra súčiastky (celkový stratový výkon, tepelný odpor čip – puzdro, tepelný odpor puzdro – vzduch pri rôznej rýchlosti prúdenia, emisivita materiálu puzdra) a maximálne povolené teploty pre čip a puzdro dané primárne výrobcom alebo upravené konštruktérom vzhľadom na požadovanú zvýšenú presnosť alebo spoľahlivosť zariadenia.

Ak sú nastavené všetky dôležité parametre, je možné spustiť simuláciu. Program automaticky zobrazí rozloženie teplôt na DPS v 2D aj 3D zobrazení. Výstupom programu môžu byť jednotlivé obrázky alebo je v ponuke Analyze možné vybrať numerický výstup. Táto ponuka zabezpečí výpis jednotlivých teplôt na súčiastkach spolu s príslušnými nastaveniami. V prípade, ak teplota na niektorom komponente presahuje maximálne požadované hodnoty, je možné umiestniť na súčiastku chladič, poprípade v jej blízkosti umiestniť komponenty zlepšujúce odvod tepla (napr. skrutky). Jedným z nedostatkov tohoto programu je, že komponenty ako chladiče a skrutky nie sú dostupné v knižnici komponentov, ale je ich potrebné vytvoriť. Pri tvorbe chladiča treba zobrať na vedomie, že chladič sa viaže na súčiastku, na ktorú ho chceme implementovať. V tomto programe nie je možné umiestniť chladič mimo nejakého komponentu, priamo na DPS, ale iba na daný komponent, na ktorý sa viaže (obr. 4). Teda nie je možné použiť jeden chladič pre viacero komponentov. Je však možné komponenty uložiť na definovaný substrát s tepelnými parametrami použitého chladiča. Dôležitými parametrami v tomto prípade sú jeho termálne vlastnosti. Tieto vlastnosti udáva výrobca chladiča, alebo ak ide o chladič s neznámymi parametrami, je nutné ich vypočítať. Chladič sa dá v tomto programe uložiť iba nad danú súčiastku, nie je možné umiestniť ho zboku a pod. Je to zdôvodnené tým, že sa skúma iba vplyv chladiča na teplotu súčiastky a tento vplyv sa nastavuje vo vlastnostiach chladiča. Takže teoreticky je jedno, kde sa chladič nachádza, lebo jeho vplyv na danú súčiastku je jasne zadefinovaný.

Obr. 4 Príklad uloženia chladiča

Záver

Softvérový nástroj HyperLynx® Thermal od firmy MentorGraphic® umožňuje návrhárom elektronických zariadení pomerne jednoducho skúmať tepelné pomery v navrhovanom elektronickom zariadení už vo fáze CAD návrhu a vyhnúť sa tak problémovým situáciám s prehrievaním komponentov alebo celkov. Možnosť simulácie vo všeobecnosti zrýchľuje a zlacňuje vývoj, keďže problémové detaily sú identifikované už v procese elektronického návrhu a je možné jednoducho vykonať konštrukčné zmeny a potenciálne problémy eliminovať.

O výsledku procesu rozhoduje predovšetkým kvalita simulačného nástroja, ktorá býva kompromisom medzi požiadavkou na jednoduchosť ovládania a presnosťou a komplexnosťou výstupov a, samozrejme, cenou. Následkom toho dochádza pri použití neštandardných (rozumej tvorcom nepredpokladaných) topológií k odchýlkam od skutočnosti. Je potom na konštruktérovi, aby rozpoznal, kedy už daný nástroj nie je schopný pracovať vo výrobcom uvádzanej tolerancii. (Vega 1/0776/14)

Použitá literatúra:

[1] Datasheet HyperLynx® Thermal. [cit2014-2-5] Dostupné na internete: http://s3.mentor.com/public_documents/datasheet/pcb/simulate-thermal-ds.pdf; https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=14118

[2] ELBERG, S., MATHONNET, P.: Odvod tepla z elektronických zařízení. Praha, SNTL 1983, ISBN 04-533-83