Sådan får du de rigtige data til termisk simulering

Nøglepunkter i artiklen:

• Hvordan man får inputdata til termiske simuleringer.
• Hvilke målinger skal indsamles i designet.
• Hvordan skal dataen anvendes til opsætning af en termisk simulering.

Forestil dig at du har et system, som er varmere end det burde være, og du skal evaluere dine muligheder med hensyn til kølingsløsninger som f.eks. ventilator eller væskekøling. Ved hjælp af simulering kan enhver form for køling evalueres, men hvordan sikrer du, at den nøjagtigt afspejler virkeligheden ved at definere kilder og begræsninger i simuleringsmodellen?

For at få de rigtige data til termiske simuleringer skal du forstå, hvilke primære bidragesydere der er til varme i et system. Det betyder, at du skal tage nogle målinger med en prototype, så du kan indtaste de rette oplysninger i din simuleringsmodel. Når du arbejder med elektroniske systemer, vil du normalt gøre brug af metoder som termoelementer eller infrarøde kameraer for at finde ud af, hvor varmen kommer fra.

Når du kender de vigtigste faktorer, kan du begynde at simulere systemet og sørge for at bruge dine måledata korrekt. Vi vil gå i dybden med, hvilke målinger du skal indsamle under designfasen, og hvordan du får dem til at fungere, når du opsætter din termiske simulering.

Begynd med termiske målinger

Det hele begynder med at få de rette målinger og kortlægge det scenarie, du ønsker at genskabe i simuleringen. Målet med termiske simuleringer er at bearbejde tallene og finde ud af, hvordan temperaturen er fordelt over varmekilderne i det pågælende system. Derudover skal du finde ud af den nødvendige tid, det tager før ændringerne sker fra systemet bliver påvirket som f.eks. ved tilførslen af en luftstrøm.

Med en indledende simulering af temperaturspredningen har du et solidt fundament, som du kan bruge til at begynde at evaluere redesigns som f.eks. at tilføje en ventilator til systemet.

Definer dine krav

Inden du dykker ned i temperaturmålingerne, er det afgørende at have et klart billede af, hvad du sammenligner dem med. Tænk på det som at sætte scenen til et teaterstykke – før skuespillerne kommer ind, skal du kende scenen, rekvisitterne og plottet. Her er nogle nøglebeslutninger, du skal træffe for din test case:

• Hvor meget strøm forbruger de vigtige komponenter?
• Inkluderer du termiske gap pads eller heat sinks?
• Når du har foretraget ændringerne, kan du så reproducere målingerne?

Disse trin kan virke lidt forsimplede, men de udgør fundamentet for setupppet af termiske testcases til et produkt. Typisk analyserer du to hovedscenarier: standard driftsforhold og stressede driftsforhold. Standardforhold afspejler det daglige brug af produktet, mens stressede forhold presser det til grænsen og tester dets evne til at modstå fejl.

Hvor skal du måle?

Når det kommer til at måle temperaturer i et system, er det afgørende at fokusere på nogle få kritiske områder for at få det fulde billede af, hvordan varmen er fordelt i hele produktet. Her er de vigtigste måder, du kan indsamle temperaturmålinger på:

• Termoelementer: De kan sammenligned med præcisionsknive bare inden for temperaturmåling. De giver dig detaljerede indsigter udfra at aflæse på et bestemt punkt i systemet.
• Infrarød termisk sensor: Tænk på disse som et point-and-shoot kamera til punktivse temperaturmålinger. På samme måde som med termoelementer, giver de en øjeblikkelig aflæsning på et specifikt sted, men ligesom termiske kameraer kræver de, at kabinettet er fuldt åbent for at få aflæsninger fra PCB’en.
• Termisk kamera: Termiske kameraer kan give komplette systemmålinger, fordi de fanger temperaturfordelingen over hele systemet og giver et omfattende snapshot af, hvad der foregår.

Selvom infrarøde sensorer og termiske kameraer har deres fordele, er punktmålinger med termoelementer ofte at foretrække. Hvorfor? Fordi de kan kobles til en lukket pakke og direkte fastgøres på en IC-pakke, hvilket giver dig præcise temperaturaflæsninger uden behov for at blotte systemet.

Når du bruger en gruppe termoelementer, bør du foretage målinger direkte på alle de varme IC-pakker, fordi pakkerne er de dominerende varmegeneratorer i systemet. Senere kan du bruge målingerne til at bestemme de materialer, der er nødvendige i din termisk simulering.

Og glem ikke den uudnyttede plads. Når det kommer til temperatur, betyder selv luften i dit design noget. Tag en temperaturmåling af den stillestående luft inde i kabinettet. Det kan virke irrelevant, men det er afgørende for evalueringen af din simuleringsmodel. Derudover kan du placere et termoelement på overfladen af kabinettet eller måle temperatiren inden i med et termisk kamera.

Du behøver ikke noget avanceret udstår for at kunne lave de her målinger. Det kan gøres med en standard DAQ-enhed, som du kan se på billedet nedenunder.

Når termoelementerne er installeret, er det afgørende at overvåge designets adfærd over tid for at observere, hvornår den rammer ligevægtstemperaturen. Når det sker vil DAQ-enheden fortsætte med at registrere målinger ved hver af de udpegede punkter i systemet.

I visse situationer kan det være udfordrende at indhente alle målingerne, især når man har at gøre med kabinetter, der er mere tillukket og derfor mangler åbne adgangspunkter til termoelementer. I sådanne tilfælde kan det være nødvendigt at åbne kabinettet og placere PCB’en i et større kabinet for at kunne rumme termoelementerne. Alternativt kan du bruge et termisk kamera for at omgå behovet for punktmålinger og istedet måle direkte på overfladen for de primære varmeproducerende komponenter.

Genskab målingerne med simulering

Inden man analyserer ændringerne i designet i en simulering, er det afgørende at udnytte de eksisterende data til at genskabe dine nuværende målinger i et simuleringsmiljø. Genskabelsen af testcasen fungerer som et valideringstrin for din simuleringsmodel, hvor den fysiske testcase fungerer som et referencepunkt, hvorpå du benchmarker resultaterne for simuleringen.

Termiske simuleringer kræver man løser den såkaldte “heat equation” inden for et lukket system, hvilket igen kræver kendskab til den termiske ledningsevne på forskellige punkter i systemet. Selvom integrated circuit packages typisk ikke giver disse data på samme måde som et kabinet- eller PCB-materialer, kan det udledes fra dens termiske resistensværdi i databladet og direkte temperaturmålinger under drift.

For at forudsige steady-stage temperaturfordelingen inden i produktet er en termisk simulation afhængig af en værdi for varmekilden (S). Det medfølgende billede skitserer de nødvendige inputs til en integrated circuit package for at beregne heat flux, der stammer fra kilden (S):

Værdien tildelt T(ambient) fungerer som startpunktet for den stillestående luft inde i kabinettet. Hvad angår den anden temperaturværdi (T), kan den betragtes som et statisk tal til at definere en varmekilde inden for simuleringen. For at holde tingene enkle er det tilstrækkeligt at indstille T til din pakkens temperaturmåling ved ligevægt.

Med den fastsatte termiske ledningsevne for pakken (k) og den statiske pakketemperatur (T), er du klar til at konfigurere en transient termisk simulation med følgende parametre:

• Initial conditions:
  • T(ambient) kendt, tilladt at ændre sig
  • Temperaturen for kabinettet (kan indstilles til T(ambient))

• Boundary conditions:
  • T kendt fra måling, indstillet som en statisk værdi
  • Temperaturen uden for kabinettet (typisk stuetemperatur)

Alternativt kan du oprette en termisk simulationsmodel i steady-state ved at anvende T(ambient) som den stillestående lufttemperatur og kabinettemperaturen registreret under termisk ligevægt. Disse simuleringer er hurtigere og giver solid validering af din simuleringsmodel for systemet.

Modificer systemet og simuler igen

Når du har afsluttet simuleringen og indsamlet referencedataen, er det tid til implementere de foreslåede ændringer og give systemet endnu en grundig gennemgang. Hvis det er muligt, kan denne fase kobles sammen med nye målinger. Det er dog ikke altid en mulighed. Uanset hvad, tilbyder simuleringer den hurtigste vej til at begynde at vurdere designændringer for at mindske den eventuelle termisk belastning.

Tag f.eks. den kvalificerede simulerings, der bruges til at genskabe termoelementets målinger. Her kan du finjustere modellen for at introducere en ventilator. Gennem en CFD-termisk co-simulation kan du tilføje en luftstrømskilde og køre en transient simulering for at undersøge, hvordan forskellige strømningshastigheder påvirker ligevægtstemperaturen under drift. Denne tilgang gør det muligt, at du hurtigt kan identificere potentielle problemer, der måske er svære at opdage gennem målinger alene, såsom:

• Hot spots med stillestående luft
• Områder med low flow
• Hvordan indtag og udstødning påvirker luftstrømme
• Hvordan de ovenstående punkter påvirker kabinettets overfladetemperatur
• Hvor stor er nedgangen i temperaturen ved tilførslen af luftstrømme
• Udstødningsluftens temperatur

Nogle af disse aspekter kan direkte visualiseres på printets overflade på samme måde som typiske termiske simuleringer, men med tilføjede strømlinjer for at afgrænse luftstrømsfordelingen. Derudover kan andre coolings-strtegier som brug af heat sinks, montering af termiske grænsefladematerialer til kabinettet eller større kabinetdimensioner også inkluderes i en grundig undersøgelse i disse simuleringer.

Selvom det indledende arbejde med at indsamle termisk data til simuleringsformål kan være tidskrævende, lægger det fundamentet for, at jeres designteam hurtigt kan vurdere designændringer vedrørende termisk kontrol og styring. Dette reducerer behovet for flere prototyper end nødvendigt, og det sparer både tid og penge. Desuden forbliver simuleringsmoddellen fleksibel, hvilket gør det muligt for kontinuerlige forbedringer, når nye prototyper fremstilles til testning. Voksende designteams kan hurtigt se afkast af investeringen ved at tilføje den her kapacitet til deres værktøjskasse.

Celsius EC Solver er et solidt værktøj drevet af en stærk beregningsmotor og meshing-teknologi. Det gør det muligt for dig at modellere og analysere komplekse designs for derved at reducere risikoen for produktfejl og samtidigt optimere termiske løsninger for at maksimere designets ydeevne.

Det dykker ned i fluid flow og heat transfer dynamics inden for forskellige elektroniske systemer. Dets proprietære multi-level ustrukturerede meshing-teknologi sikrer både præcision og effektivitet – lige fra håndtering af konvektion og konduktion til stråling.

Fordelene ved at bruge et værktøj som Celsius EC Solver:

• Værktøjet kan løse udfordringer i de tidligste designfaser inden for både termisk og elektronisk køling
• Dertil kan det reducere omkostningstunge designændringer og forsinkelser
• Forbedrer produktets ydeevne og pålidelighed
• Skalerer til hundredvis af kerner for at håndtere systemer med høj kompleksitet

Det er en fremragende løsning til at analysere luftstrømme, temperaturprofiler og heat transfer på tværs af forskellige elektroniske komponenter, kabinetter og strømsystemer. Dertil giver det indsigt i naturlig og tvungen konvektion, solar heating og væskekøling, hvilket giver dig værktøjerne til at træffe beslutninger på et velinformeret grundlag.