使用Sherlock生成的熱圖

電源是每個(gè)電子設(shè)備的核心，但要了解電源的工作溫度需要控制在什么水平才能避免相鄰組件出現(xiàn)受熱性能劣化的狀況，是件極為困難的事情。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和供應(yīng)商之間溝通不暢，實(shí)際應(yīng)該有的溫度是多少就更無(wú)從知曉了。

電子行業(yè)認(rèn)識(shí)到降額策略并非是設(shè)計(jì)最佳電子產(chǎn)品的最佳方法，因?yàn)槠洳捎么罅考僭O(shè)條件，而這可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)保守、成本高昂或是設(shè)計(jì)可靠性不足。而實(shí)際上更為有效的方法是利用仿真和物理分析來(lái)確保組件的可靠性，從而不易發(fā)生受熱性能劣化。例如，工程師可以使用ANSYS Icepak開(kāi)展熱仿真，使用ANSYS Sherlock在熱仿真基礎(chǔ)上開(kāi)展基于物理的可靠性分析。

Sherlock熱降額

當(dāng)設(shè)計(jì)在審核中出現(xiàn)溫度問(wèn)題時(shí)，通常不考慮變壓器和扼流圈等磁性元件。因?yàn)樽儔浩饕话闶嵌ㄖ粕a(chǎn)，許多變壓器沒(méi)有提供溫度額定值。那么，如何判斷磁性元件發(fā)生過(guò)熱情況？這里有三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

首先是當(dāng)這些鐵氧體材料開(kāi)始飽和時(shí)，其電流飽和曲線(xiàn)趨于模糊，磁性材料飽和并不會(huì)破壞磁性，但是會(huì)發(fā)生磁短路，造成電路故障。

第二個(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員有時(shí)會(huì)把磁性材料的最大額定溫度誤認(rèn)為等于居里溫度（磁性材料屬性在大約100C–300C或212F–527F時(shí)發(fā)生顯著變化）。但是，磁芯損耗（磁性變化）通常在50C–100C（122F– 212F）之間開(kāi)始發(fā)生。根據(jù)鐵氧體的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和散熱情況，如果磁芯溫度達(dá)到磁芯損耗范圍，磁性材料就可能發(fā)生熱失控。

最后，熱衰退是磁粉芯的主要問(wèn)題，磁粉芯成本較低且有時(shí)比鐵氧體磁芯更適合使用。長(zhǎng)期暴露在較高溫度下可能會(huì)誘發(fā)粘合劑的熱衰老。隨著熱衰老的進(jìn)行，渦流損耗顯著增加，磁芯損耗增加會(huì)導(dǎo)致更高的磁芯溫度，并造成磁性組件發(fā)生故障。

LED必須布置在芯片上，以免受熱過(guò)多

仿真可幫助工程師根據(jù)熱應(yīng)力優(yōu)化LED在電子裝置內(nèi)的布局。當(dāng)LED集成到電源中時(shí)，它們一般用作指示燈。然而，由于LED的溫度敏感性，用作電源指示燈可能存在隱患。

此外，在光耦元件（通過(guò)光傳遞信息的元件）中使用LED也有問(wèn)題，主要難題是將光耦元件布局在能讓LED保持較低溫度的位置。

電解電容器是設(shè)計(jì)人員在溫度影響方面最需要關(guān)心的組件。這是因?yàn)殡娊怆娙萜饕揽恳后w才能正常工作，這些組件的使用壽命受其液體電解質(zhì)逐漸蒸發(fā)的限制。

工程師需要判斷這是否是電解電容器的最佳朝向

電解質(zhì)的喪失會(huì)導(dǎo)致電容減小，等效串聯(lián)電阻增大。因此所有電解電容器制造商都提供了額定壽命。電容器的熱敏感性要求使用仿真等高精度工具來(lái)確定電解電容器承受的溫度。盡管如此，大多數(shù)公司都使用經(jīng)典的阿侖尼烏斯（Arrhenius）方程推斷制造商的額定指標(biāo)，該方程能保守地預(yù)測(cè)電解電容器并不規(guī)律的使用壽命。

此外，電容器的實(shí)際使用壽命根據(jù)電路對(duì)組件參數(shù)變化的敏感度而發(fā)生改變。制造商定義的使用壽命通常是電容下降20%，但是此時(shí)的等效串聯(lián)電阻可能增大2倍到5倍。根據(jù)電路的敏感性，在電容器進(jìn)入故障模式前，這可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障。當(dāng)設(shè)計(jì)人員把電解電容器布置在靠近熱組件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的使用壽命公式甚至也不適用，因?yàn)殡娙萜魃系臏囟确植疾痪鶆蚩赡軐?dǎo)致性能加速劣化和壓力增大，從而造成破裂。

需要開(kāi)展受熱性能劣化分析以判斷陶瓷電容器在PCB上的布局位置是否可行

陶瓷電容器的制造商已經(jīng)大幅提高了其產(chǎn)品的電容量，這種改進(jìn)需要增加陶瓷電容器的介電層數(shù)量，同時(shí)減少介電層厚度。但是，電壓無(wú)法跟上陶瓷電容器介電層的厚度變化，造成介電層上的電場(chǎng)顯著增強(qiáng)。

加速測(cè)試的組合表明，在40 C（104 F）和3.3 VDC條件下運(yùn)行的各種陶瓷電容器類(lèi)型（0603/10 uF/6.3 V/X5R）在10年后可能出現(xiàn)2%的故障率。2%看似不大，然而一旦考慮到您在設(shè)計(jì)中使用的所有陶瓷電容器，仿真便成為解決這一問(wèn)題的理想方案。

薄膜電容器可能因兩種機(jī)制發(fā)生故障，每一種都對(duì)溫度敏感：

遺憾的是，目前沒(méi)有任何公式能有效地區(qū)分兩種截然不同的故障機(jī)制產(chǎn)生的影響。預(yù)測(cè)薄膜電容器使用壽命的典型方法是根據(jù)IEC 60384-16標(biāo)準(zhǔn)的耐久性測(cè)試來(lái)推斷的，然而仿真能提高壽命預(yù)測(cè)的精度。

薄膜電容器的使用壽命是迄今為止對(duì)電壓變化最為敏感的。設(shè)計(jì)人員愿意讓薄膜電容器工作在比電解電容器或陶瓷電容器溫度更高的地方，因?yàn)槌浞值碾妷航殿~能延長(zhǎng)大多數(shù)應(yīng)用的使用壽命。

工程師需要研究環(huán)境條件對(duì)集成電路的影響，以確保集成電路在既定使用壽命下不會(huì)損耗。

工程師可使用可靠性物理分析和故障機(jī)制模型評(píng)估集成電路的熱可靠性

主要的難題是造成損耗的亞微米工藝，要減輕系統(tǒng)的劣化風(fēng)險(xiǎn)，必須有能力分析影響故障機(jī)制和器件可靠性的熱效應(yīng)。工程師可使用可靠性物理分析、仿真及故障機(jī)制模型評(píng)估集成電路。

工程師可使用仿真確保這些焊點(diǎn)的成功

焊點(diǎn)用于提供組件、基板或電路板之間的電氣、熱和機(jī)械連接。當(dāng)發(fā)生溫度變化時(shí)，組件和板件將會(huì)以不同比率膨脹或收縮，形成對(duì)焊點(diǎn)的剪切負(fù)荷。

這一應(yīng)力一般遠(yuǎn)低于焊點(diǎn)的強(qiáng)度。但是，重復(fù)暴露在溫度變化下可能對(duì)塊狀焊料造成破壞。仿真可用于建模每次溫度循環(huán)將如何累積損傷，從而導(dǎo)致裂紋和最終失效。

熱力疲勞造成的焊點(diǎn)失效是電子產(chǎn)品的主要損傷機(jī)制之一，這是因?yàn)椴划?dāng)設(shè)計(jì)、材料選擇和環(huán)境可能導(dǎo)致相對(duì)較短的失效時(shí)間。

熱機(jī)械分析

雖然受熱性能劣化是一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題，但由于缺乏有效的工具，電源工程師目前難以解決這些問(wèn)題。

一種可行的方法是利用可靠性物理分析與仿真。這些仿真能預(yù)測(cè)性能劣化行為，以便工程師開(kāi)展權(quán)衡分析。這些權(quán)衡分析將有助于工程師優(yōu)化電子產(chǎn)品的環(huán)境、材料和架構(gòu)。工程師也可以使用該信息準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源的熱性能。

ANSYS Sherlock 自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件能幫助電源工程師了解組件何時(shí)發(fā)生過(guò)熱。它將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)信息與綜合性嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，以提供開(kāi)展這些復(fù)雜計(jì)算所需的信息。

Sherlock簡(jiǎn)化的軟件架構(gòu)還可確保在幾分鐘內(nèi)完成數(shù)千次所需的計(jì)算并顯示結(jié)果。最重要的是，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能在遠(yuǎn)早于制作物理原型之前開(kāi)展分析，從而節(jié)省預(yù)算并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。通過(guò)使用Sherlock，電源工程師現(xiàn)在能夠確保他們的產(chǎn)品永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生過(guò)熱。