PCB仿真的案例
基于參數優化的 LED 驅動電路 PCB 熱仿真分析
14?采用FR4介質的Ⅱ型PCB面積約為Ⅰ型PCB面積的2.5倍,其元件的仿真溫度較Ⅰ型PCB下降約17~25℃,在Ⅱ型PCB的基礎上做更加密集的過孔放置得到Ⅲ型PCB,元件的仿真溫度繼續下降約0.5~5℃?采用鋁基介質時,Ⅰ型PCB的各元件仿真溫度較采用FR4介質普遍降低6~18℃,Ⅱ型和Ⅲ型PCB仿真溫度較使用FR4介質時普遍下降6~14℃?其中鋁基板Ⅰ型氛圍燈由于尺寸的限制,LED的仿真溫升最低為62.4℃,不符合設計要求,而鋁基板Ⅱ型氛圍燈PCB和鋁基板Ⅲ型氛圍燈PCB已經完全滿足設計要求?
結論
本文通過熱仿真分析方法,實現了氛圍燈LED的PCB熱性能的優化?在原有的Ⅰ型氛圍燈PCB設計不符合溫度要求的基礎上,借助熱仿真分析了該設計的不足?通過增大設計尺寸和增加過孔,設計了改善的Ⅱ型和Ⅲ型氛圍燈PCB,但是仍不滿足車規級溫升要求?最后通過改變PCB的基材介質為鋁基介質,借助于熱仿真,論證了鋁基材質的Ⅱ型和Ⅲ型氛圍燈PCB的設計滿足車規級要求?
【參考文獻】
[1]劉兆洪,龐傳和.
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隨著PCB高速信號設計越發普遍，電子電路的設計越發面臨信號完整性、電源完整性、熱、電磁兼容等問題挑戰。在設計中引入仿真驗證手段，將大大提升產品開發效率，設計正確性，實現產品最快的推向市場。
其中PCB仿真設計、Mentor、HyperLynx、Altium Designer、SI/PI、Xpedition、PDN噪聲分析因為代表了未來發展趨勢，所以廣受電子工程師歡迎。
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同時，歡迎報名《PDN噪聲分析和優化》直播，主要講述了嘗試對 Die 到穩壓模塊的完整PDN 進行建模，并對芯片電源域進行瞬態紋波仿真、討論時域和頻域仿真對于PDN噪聲分析的適用范圍，并闡述PDN 設計與優化的實用方法。
展開 PCB電熱仿真方法及實例分析
因此，對于板級熱分析來講，不僅要同時分析電氣和熱物理領域，更要兼顧熱傳導分析和熱對流分析，需要的是一個多物理場的仿真解決方案。
FEA（有限元分析）求解器是用于熱傳導電熱耦合分析的，該方法以傳熱系數為邊界條件，以簡化的方式考慮對流和輻射效應，詳細模擬固體內部的傳導問題，可以在短時間內獲得高精度的熱傳導分析結果。另一種CFD（計算流體動力學）求解器用于熱對流和熱輻射模擬，通過流體流動的實際模擬（如風扇吹過PCB上的空氣）進行對流和輻射的詳細建模，但該方法在處理傳導問題時，要求盡量簡化設計，所以達不到FEA的求解精度和效率。因此我們可以同時使用上述兩種仿真方法進行熱分析工作，達到優勢互補的目的。
FEA求解器主要解決的區域
CFD求解器主要解決的區域
本文章以Cadence的Celsius Thermal Solver作為仿真工具，利用它的FEA-CFD電熱仿真流程實施分析工作，流程圖如下所示：
導入PCB文件，進行電與熱相關的參數設置，運行FEA仿真，得到包含PCB各區域功率耗散的簡化仿真模型，再導入到CFD求解器中，添加風扇、機箱等結構實施CFD仿真，結果保存為一個CFD模型，代表設置環境（自然環境、風冷或水冷等）下的真實傳熱系數，再回到FEA求解器中導入CFD模型作為邊界條件，重新執行電熱仿真，最后得到精確的電熱仿真結果。
下面以一個PCB熱仿真實例，詳細說明仿真步驟。
① FEA求解器提取簡化模型
啟動Cadence Celsius Thermal Solver，選擇并打開Solid Objects Simulation for Layered Structures模塊，該模塊就是基于FEA求解仿真層狀結構（PCB板）。
展開 PCB電熱仿真方法及實例分析
因此，對于板級熱分析來講，不僅要同時分析電氣和熱物理領域，更要兼顧熱傳導分析和熱對流分析，需要的是一個多物理場的仿真解決方案。
FEA（有限元分析）求解器是用于熱傳導電熱耦合分析的，該方法以傳熱系數為邊界條件，以簡化的方式考慮對流和輻射效應，詳細模擬固體內部的傳導問題，可以在短時間內獲得高精度的熱傳導分析結果。另一種CFD（計算流體動力學）求解器用于熱對流和熱輻射模擬，通過流體流動的實際模擬（如風扇吹過PCB上的空氣）進行對流和輻射的詳細建模，但該方法在處理傳導問題時，要求盡量簡化設計，所以達不到FEA的求解精度和效率。因此我們可以同時使用上述兩種仿真方法進行熱分析工作，達到優勢互補的目的。
FEA求解器主要解決的區域
CFD求解器主要解決的區域
本文章以Cadence的Celsius Thermal Solver作為仿真工具，利用它的FEA-CFD電熱仿真流程實施分析工作，流程圖如下所示：
導入PCB文件，進行電與熱相關的參數設置，運行FEA仿真，得到包含PCB各區域功率耗散的簡化仿真模型，再導入到CFD求解器中，添加風扇、機箱等結構實施CFD仿真，結果保存為一個CFD模型，代表設置環境（自然環境、風冷或水冷等）下的真實傳熱系數，再回到FEA求解器中導入CFD模型作為邊界條件，重新執行電熱仿真，最后得到精確的電熱仿真結果。
下面以一個PCB熱仿真實例，詳細說明仿真步驟。
① FEA求解器提取簡化模型
啟動Cadence Celsius Thermal Solver，選擇并打開Solid Objects Simulation for Layered Structures模塊，該模塊就是基于FEA求解仿真層狀結構（PCB板）。
展開 
基于ANSYS的PCB電磁兼容仿真案例
PCB是電子設備當中非常關鍵的部件之一，上面有著諸多元器件及芯片，電路工作狀態下會形成相應的電磁能量輻射，是不可忽視的噪聲源，對整機系統的EMC性能，有著至關重要的作用，所以，利用仿真技術來進行PCB的電磁輻射性能仿真是非常有必要的。
PCB的電磁輻射，多數情況可能會導致產品整機EMC RE認證測試當中的某些頻點不滿足標準要求，一般來說噪聲源都是由于電路板上關鍵的一些高速/高頻器件或電路，可能通過PCB直接形成的輻射，也有可能通過輻射與設備內部的IO線纜形成的耦合，如果能通過有效的途徑去分析和弱化PCB的電磁輻射能量，就有可能幫助整機產品順利通過相關RE認證測試標準。
圖片來源于網絡
1/ PCB電磁敏感度仿真
電子設備暴露在復雜電磁環境之下，由于耦合外界電磁能量，造成電子系統工作異常的 現象比比皆是，電磁噪聲可能通過電源信號線纜耦合進電路，也可能通過空間輻射的方式直接與內部電路耦合，PCB是電子設備中非常關鍵的部件之一，其中信號走線與電源都可能耦合輻射能量，形成感應電壓/ 電流，從而干擾電路的正常工作，如圖1-1 所示。該案例從PCB的輻射感應電壓的角度來仿真PCB的電磁敏感度(EMS)。
展開 車燈仿真專題 | 基于ANSYS HFSS的CISPER25汽車前照燈PCB傳導輻射仿真分析
該圖顯示了PCB U1組件如何發送梯形時鐘信號以及負載模擬器接收到該信號的真實波形。
這次繪制其傳導輻射EMI_P端隨頻率的變換關系，也就是接收機接收到傳導信號強度，對于電子電路, 輻射越低越好，也就是其對周邊電路的干擾越小。具體設置如下，先設置輸入變量，然后設計時間范圍為0到600us，最大頻率108MHz。
最后我們導入標準CISPR25 Level 5 ，可以看見很多頻點超過了標準。
接著嘗試添加扼流電感線圈，發現傳導輻射滿足了標準，如下圖所示。
五、小結
通過ANSYS HFSS搭建的CISPER25測試環境提前對待測PCB的傳導輻射進行仿真，一方面可以識別了EMC問題，找到超標的頻點，為我們在整機送測認證前問題的解決整改爭取了寶貴的時間，同時針對PCB EMC整改不再是盲目添加保護器件和電路，而是針對問題形成的原因有的放矢，直接在軟件中仿真中得到整改措施的改善效果，以實現最少的改動達到最大程度改善效果，為PCB電磁兼容問題的定位和改進提供參考。
文章來源
：新科益工程仿真中心
展開 仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
翻譯：上海安世亞太
前言
多年來，設計人員一直在仿真中考慮封裝寄生效應package parasitics 的影響，從使用簡單的一階模型（如理想電感+電阻）到更復雜的spice梯形網絡，最后到使用三維電磁仿真器充分提取封裝的s參數。對于封裝加PCB通道，目前最常用的方法是將封裝和電路板作為s參數或寬帶SPICE模型獨立地提取出來，并在電路仿真器中結合這兩種模型。但由于工作頻率高、信號速度快、集成器件復雜等因素，這種方法的局限性越來越大。
封裝與PCB（或封裝與電路）之間的耦合對性能有著不可忽視的影響。實現復雜封裝和PCB，或封裝和電路的仿真有幾個挑戰:電磁求解器的容量和精度，自動化，易用性，可接受的仿真時間。
PCB和封裝設計人員深知在更高層次的系統仿真中，提取其精確的設計模型是多么重要。采用三維全波電磁仿真和自動自適應網格劃分方案，可提供提取全波s參數模型所需的精度水平。然而，設計人員在嘗試使用三維電磁仿真來解決復雜的設計時面臨著一些挑戰，如圖1所示。電路板和封裝器件通常采用電子設計自動化（EDA）工具進行設計，需要引入到三維電磁仿真工具中。這些設計包括多個介質層、電源和接地層、信號層、大量過孔（與焊盤定義相關）和鍵合線。
第一個挑戰是從EDA工具中導入數據庫，但不包括應用于設計的手動修改，但要保留跟蹤、焊盤、焊線、網絡和引腳的數據庫信息。導入幾何體后，其他仿真模擬設置（例如，端口定義）需要易于使用，避免耗時的工程工作，并為非專業用戶提供可訪問性。最后，三維電磁仿真工具需要強大的網格、求解器和高性能計算功能，以將仿真時間縮短到可接受的水平，同時提供準確度。本文詳細介紹了一種用ANSYS?HFSS?3D Layout進行整合了封裝和PCB電路板的三維電磁仿真的新流程。
圖1.
展開 ANSYS官方 | PCB電磁兼容設計規則檢查與仿真驗證
2012年加入ANSYS公司至今，一直從事相關電子產品在芯片封裝、PCB系統、連接器、線纜機箱及整機系統領域的信號完整性、電源完整性、電磁兼容仿真解決方案的開發與應用技術支持，精通包括HFSS\Siwave\ Q3D等ANSYS軟件的技術應用與培訓。
課程簡介
電子產品的PCB設計，是決定其EMC性能表現優劣的關鍵因素之一。隨著半導體芯片技術的高度集成化和高速化，電路原理的設計相對趨于成熟，關鍵的PCB系統互連設計成為必須重點關注的對象。PCB設計不同環節的工程師，通常使用不同的驗證方法，或者根本無驗證手段，僅憑借工程師個人經驗設計。一些不適當的走線結構，很容易被忽略，也不便于進行建模仿真分析。此外，仿真一般針對關鍵電路或高速電路，忽略了其他layout的設計缺陷，這也可能帶來的整個產品的EMC性能隱患。因此，SIwave專業PCB電磁兼容仿真工具從2019版開始增加了EMI Scanner。
EMI scanner功能包括：統一、并且可在不同設計團隊間重復使用的驗證手段，防止驗證過程變化或失控；適用于多團隊協作，同時可以對第三方代工設計交付，可進行品控，實現高效處理復雜的PCB設計；可以定制化EMC設計，用來收集和執行企業自己的設計規則。
本次直播分享將會介紹PCB電磁干擾分析思路、SIwave軟件功能介紹以及新功能EMI Scanner的規則內容、仿真驗證規則檢查的準確性以及操作演示等。助力用戶更深一步認識板級的電磁兼容設計仿真。
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展開 ANSYS官方今晚直播 | PCB電磁兼容設計規則檢查與仿真驗證
2012年加入ANSYS公司至今，一直從事相關電子產品在芯片封裝、PCB系統、連接器、線纜機箱及整機系統領域的信號完整性、電源完整性、電磁兼容仿真解決方案的開發與應用技術支持，精通包括HFSS\Siwave\ Q3D等ANSYS軟件的技術應用與培訓。
課程簡介
電子產品的PCB設計，是決定其EMC性能表現優劣的關鍵因素之一。隨著半導體芯片技術的高度集成化和高速化，電路原理的設計相對趨于成熟，關鍵的PCB系統互連設計成為必須重點關注的對象。PCB設計不同環節的工程師，通常使用不同的驗證方法，或者根本無驗證手段，僅憑借工程師個人經驗設計。一些不適當的走線結構，很容易被忽略，也不便于進行建模仿真分析。此外，仿真一般針對關鍵電路或高速電路，忽略了其他layout的設計缺陷，這也可能帶來的整個產品的EMC性能隱患。因此，SIwave專業PCB電磁兼容仿真工具從2019版開始增加了EMI Scanner。
EMI scanner功能包括：統一、并且可在不同設計團隊間重復使用的驗證手段，防止驗證過程變化或失控；適用于多團隊協作，同時可以對第三方代工設計交付，可進行品控，實現高效處理復雜的PCB設計；可以定制化EMC設計，用來收集和執行企業自己的設計規則。
本次直播分享將會介紹PCB電磁干擾分析思路、SIwave軟件功能介紹以及新功能EMI Scanner的規則內容、仿真驗證規則檢查的準確性以及操作演示等。助力用戶更深一步認識板級的電磁兼容設計仿真。
展開 芯片PCB板級熱仿真怎么做？從小米環形冷泵散熱系統說起
不光是汽車行業，這幾年芯片計算能力需求的飛速發展和對可靠性要求的日益提升，越來越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對前期的設計提出更高的要求，需要仿真加以驗證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結構熱耦合仿真。對于PCB板級熱仿真，Icepak可以導入精確的布線，并通過metal fraction計算局部的導熱系數，這樣更好的得到一個貼合實際的結果。它還提供了各種熱阻模型，常用的雙熱阻模型，以及DELPHI模型，以及詳細模型。除此之外還包含各種宏命令，方便對于特定問題的求解，它也可與ANSYS workbench中其他模塊數據相關聯。
做板級熱仿真，首先第一步便是參數的收集。要知道所處的工作溫度（環溫），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相應的位置，是否有風或者其他外加散熱措施。除此之外，需要器件手冊的相關內容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前兩個熱阻參數是雙熱阻模型所必須的，最大結溫是為了驗證結果是否超溫。ECAD類型的PCB是ANSYS Icepak 中四種類型 PCB 中最詳細和準確的，它的走線和過孔的實際幾何形狀并未與 CFD 模型的其余部分一起網格化，它是通過從導入的跡線和過孔來計算各向異性的導熱率，在每個 CFD 網格單元中對跡線和過孔的影響進行建模，每個金屬層和絕緣層都是單獨建模的，從而保持高度的準確性。
第二步是模型的導入，icepak的模型設置。模型主要由基本的幾何模型和layout布線模型，幾何模型中又有板子和器件兩部分組成。
導入幾何模型快捷的方式是IDF方法，也可以從SCDM（Space Claim）中導入。器件和板子導入后也需要對厚度和邊長進行檢查，否則可能會有誤差。
展開 下午直播 | PCB可靠度工程仿真技術
PCB目前廣泛適用于各類電子產品。作為電子元器件的重要組成部分，隨著目前電子產品微型化，對于PCB的可靠性有著很高的要求，所以需要我們對PCB面臨的各類可靠性工況進行準確模擬。Ansys針對這類問題有著專業的解決方案，包含trace mapping，單元增強，Sherlock工具等。本次研討會講針對這些功能做一系列的介紹，同時會介紹通過我們開發的自有產品來解決復合材料造成的翹曲等相關可靠性問題。
高速PCB最優換線層是哪一層?仿真告訴你答案
總結
從這個案例就能看出來高速PCB走線仿真的重要性，如果只是憑著少數的經驗或者想當然，可能就大錯特錯啦。
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怎樣才能做好PCB熱仿真分析？
一個簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個作用于整個PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預測出平均環境溫度，使設計人員用于計算元器件的功耗，通過進一步重復計算元件溫度知道是否還需要做其他工作。一般電子元器件制造商都提供有元器件規格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會受環境溫度或元件內部溫度的影響，不同封裝形式的元器件規格也不同。PCB 設計人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個溫度下元件的功耗。
計算元件溫度最準確的方法是作瞬態熱分析，但是確定元件的瞬時功耗十分困難。一個比較折衷的方法是在穩態條件下分別進行額定和最差狀況分析。
PCB受到各種類型熱量的影響，可以應用的典型熱邊界條件包括:
前后表面自然或強制對流
前后表面發出的熱輻射
從PCB邊緣到設備外殼的傳導
通過剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導
從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導
2個PCB夾層之間散熱器的傳導
目前做板級熱仿真分析比較主流的軟件一般是Flotherm，通過熱仿真分析可以對熱設計進行檢驗，尋找設計缺陷，對方案的適用性和有效性進行評價。而PCB熱設計優化也是一個不斷迭代的過程，通過設計—仿真—測試循環不斷地流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度，補充PCB熱設計經驗。
如果你有志學習熱仿真，歡迎參加元王CAE仿真實訓營，掌握CAE仿真分析方法，穩扎穩打學基礎，專題案例練實操，實戰項目獨立做，包教包會推薦就業！
展開 電磁仿真在PCB、封裝、芯片上的應用
現代PCB板\芯片由于數據率高、集成規模大、研發周期短，使其保持信號完整性(SI)、電源完整性(PI)和電磁兼容性(EMC)的難度較大。而電磁仿真軟件的運用，能夠幫助工程師對PCB的布局進行設計、分析和優化。
首先，在高度集成的封裝芯片中，很多時候寄生參數的影響是我們非常不希望出現的，它會降低電路的速度、改變頻率響應或者帶來一些意想不到的影響。而電磁仿真軟件能很好的解決這個問題，能抽取結構內部寄生參數，進行多種電路、多端口等效，根據不同需求生成不同的等效電路：
IC 模型
下圖是對 IC 芯片模型中二端口等效模型及寄生參數抽取情況：
等效電路圖
當然，S參數作為高頻信號傳輸質量的基本指標，也是電磁仿真必不可少的參數。通過電磁仿真軟件能對各種精細結構進行仿真，得到相應的S參數，并輸出SPICE模型，下圖就是仿真和實測的對比（如下圖所示）：
而眼圖、等高曲線、盆浴曲線是評估信號傳輸好壞的標準，通過電磁仿真能輕易得到相應的各種參數（如下圖所示）：
眼圖
而電源完整性問題，也會導致各種SI、EMIEMC問題，所以對電源完整性分析也必不可少。電源完整性分析主要包括直流壓降分析，交流去耦分析，平面噪聲分析和模型提取等（如下圖所示）。
噪聲分析
DC IRdrop
局部電流分布
對于芯片\封裝的EMIEMC問題，大多數時候我們都可以按照一定的規則去排版、布局，改善EMI/EMC問題。但通過人為去檢查優化高密集度的芯片\封裝線路，顯得很不合理。
展開 ANSYS網絡培訓 — PCB和封裝的翹曲、熱快速仿真方法
2017年2月9日
20:00 - 21:00 (CST)
注冊 ?
聯系方式：
郵箱：info-china@ansys.com
電話：4008198999
網絡研討會介紹：
電路的集成規模越來越大，I/O數越來越多，PCB互連密度不斷加大，隨之帶來許多PCB及集成電路封裝可靠性問題。ANSYS專門針對PCB設計分析解決方案，結合最佳仿真前處理工具SpaceClaim，在Mechanical使用TraceImport功能，可以快速從ECAD中直接導入PCB熱物參數，從而能在Mechanical中快速進行準確的PCB板熱分析、熱應力分析、翹曲分析。
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