Icepak和SIwave電熱耦合仿真

Cruise

2023年3月28日 16:32

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Icepak和SIwave電熱耦合仿真的圖1

背景介紹

-隨著功率的增大，電熱仿真成為越來(lái)越多電子產(chǎn)品的必選項(xiàng)

-其中PCB散熱根據(jù)傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估基本難以完成設(shè)計(jì)

-因此站在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的視角，需要將熱耗不斷提升的PCB部分加入到系統(tǒng)評(píng)估中

-Icepak，專(zhuān)為電子產(chǎn)品工程師定制開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)電子熱分析軟件，使用經(jīng)典的Fluent做為求解內(nèi)核

1）在一個(gè)界面內(nèi)完整電熱雙向耦合。

2）SIwave完成直流電磁仿真。

3）Icepak完成系統(tǒng)熱流體仿真。

-通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，在自然和風(fēng)冷散熱下尋找一種精度非常高的手段勢(shì)在必行

-在進(jìn)行仿真工具精度的驗(yàn)證之前，需要對(duì)影響精度的三大條件做基礎(chǔ)研究

-影響電熱仿真的三大基本條件分別是材料的熱導(dǎo)率，基礎(chǔ)電阻率以及實(shí)際加工銅厚

PCB的熱量來(lái)源

-開(kāi)關(guān)/線性電源模塊

-PCB銅皮

-PCB上安裝的芯片

測(cè)試板設(shè)置

測(cè)試板按照IPC-TM650標(biāo)準(zhǔn)制作

基礎(chǔ)材料測(cè)試

仿真設(shè)置

環(huán)境溫度：25℃。

FR4熱導(dǎo)率：0.448。

銅皮電導(dǎo)率：50438000 S/m，if(Temp<26.2cel,1,1/(1+0.003865*(Temp-26.2))) 。

仿真溫度讀取

Icepak溫度場(chǎng)圖中，通過(guò)設(shè)置Marker，可以得到任何位置的準(zhǔn)確溫度。

自然散熱仿測(cè)對(duì)比 – 25℃

在環(huán)境溫度25℃下，掃描不同的輸入電流，得到每個(gè)電流對(duì)應(yīng)的溫升。

自然散熱仿測(cè)對(duì)比 – 55℃

在環(huán)境溫度55℃下，掃描不同的輸入電流，得到每個(gè)電流對(duì)應(yīng)的溫升和壓降。

各電流下，55℃的溫升比25℃的溫升略低（-1.1℃ ~ +0.21℃）。

原理分析

在環(huán)境溫度55℃下，掃描不同的輸入電流，得到每個(gè)電流對(duì)應(yīng)的溫升和壓降。

各電流下，55℃的溫升比25℃的溫升略低（-1.1℃ ~ +0.21℃）

-熱量公式Q = cmΔt，在c、m不變的前提下，Δt由熱量（傳導(dǎo)+對(duì)流+輻射）決定。

-溫變的電導(dǎo)率（溫度越高，電導(dǎo)率越低）

-高溫下同樣電流損耗增大，發(fā)熱增大

-熱輻射公式：Q = δε (Tmax^4 - Tmin^4)

-同樣溫升，高溫下的熱輻射遠(yuǎn)大于低溫的熱輻射

-環(huán)境溫度55℃時(shí)的熱輻射效應(yīng)壓制了電導(dǎo)率導(dǎo)致的功耗加大

-Icepak采用的Fluent求解器，可以準(zhǔn)確的完成各種工況下的熱仿真

風(fēng)道測(cè)試設(shè)置

風(fēng)道17 x 17 x 55.5cm。PCB 距離底部8.5cm。PCB 距離風(fēng)扇7cm。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2700左右。抽風(fēng)方式。最高溫度點(diǎn)距離板邊沿145mm。

風(fēng)道仿真設(shè)置

風(fēng)道仿測(cè)結(jié)果

在環(huán)境溫度25℃下，掃描不同的輸入電流，得到每個(gè)電流對(duì)應(yīng)的溫升。

總結(jié)

-基礎(chǔ)材料輸入是仿真精度不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。

-獨(dú)特的電熱雙向耦合、Trace Mapping保證了結(jié)果精度，已被測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證。

-Icepak可讀入風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)、對(duì)流換熱系數(shù)作為邊界條件，和系統(tǒng)仿真完美結(jié)合。

-Icepak可導(dǎo)入多塊PCB和任意3D器件進(jìn)行聯(lián)合仿真，這是純PCB電熱軟件無(wú)法做到的。

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Icepak和SIwave電熱耦合仿真的圖12