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PCB設(shè)計(jì)中的CFD建模和仿真
CFD建模和仿真如何適合PCB設(shè)計(jì)？
在PCB設(shè)計(jì)中當(dāng)大功率組件全速運(yùn)行時(shí)，新的PCB布局將變得非常熱。MOSFET，CPU，FPGA，大電流RF組件，LED和許多其他組件會(huì)變得很熱，以至于在運(yùn)行過程中會(huì)被燒毀。如果連接不正確，即使是簡(jiǎn)單的LM系列運(yùn)算放大器也會(huì)燒毀自身。散熱器是防止有源組件燒壞的第一道防線，但您可能需要采取其他措施來防止溫度過高。
電熱模擬告訴您由于不同組件中的電壓/電流，電路板將如何加熱。所有組件，即使是純電抗性的組件（例如電容器和電感器），都具有一些電阻性阻抗組件，并且會(huì)以熱量的形式耗散功率。通過定義每個(gè)組件作為PCB中的熱源的散熱，CFD建模和仿真從IC封裝級(jí)別開始。定義了熱源后，您可以檢查熱量如何在整個(gè)電路板上的其他地方轉(zhuǎn)移到設(shè)備外殼中，并最終轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中。
CFD建模的流程
下圖顯示了如何將電熱協(xié)同仿真用作CFD建模和仿真的一部分，以及對(duì)這些仿真中使用的不同類型求解器的比較。每種類型的求解器（例如，FEA，FEM，FVM，FDTD和網(wǎng)絡(luò)模型）在電熱仿真和CFD中都有其位置，它們之間的總體差異是仿真和收斂時(shí)間。
僅當(dāng)您在板上定義熱源時(shí)，以上模擬流程才有效。這是通過導(dǎo)電分析和導(dǎo)熱分析步驟完成的，這些步驟將組件的導(dǎo)熱系數(shù)與電流密度和熱量產(chǎn)生聯(lián)系起來。通常，這可以使用具有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值技術(shù)的常規(guī)場(chǎng)求解器來完成，也可以使用泄漏電流值（對(duì)于有源器件）來估算電路板上產(chǎn)生的總熱量。對(duì)于電阻器和其他無源元件，您只需使用歐姆定律和標(biāo)準(zhǔn)功耗方程來確定運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量。
CFD建模和仿真的總體流程可分為以下步驟。這種類型的建模是在創(chuàng)建PCB布局并將已驗(yàn)證的組件模型導(dǎo)入到板上以進(jìn)行仿真之后發(fā)生的。
1、使用組件（包括無源器件和半導(dǎo)體管芯）中的功耗確定進(jìn)入系統(tǒng)的熱源
2、模擬從封裝到周圍PCB的熱傳導(dǎo)
3、通過氣流模擬熱量從熱區(qū)傳遞到冷區(qū)的過程
這是一個(gè)經(jīng)典的多物理場(chǎng)問題，在多個(gè)物理現(xiàn)象和電路板區(qū)域之間具有反饋，如下圖所示。注意，在此仿真流程圖中未考慮功率輸出與其他電氣特性的溫度依賴性。這將在模擬的CFD部分和熱源定義之間創(chuàng)建一個(gè)新的反饋回路。
在CFD建模和仿真中將IC功耗定義為源。然后，您可以檢查離開木板和3D封裝的強(qiáng)制或自然氣流。這在系統(tǒng)的不同部分和不同的物理現(xiàn)象之間創(chuàng)建了一個(gè)反饋回路。
其他問題中的邊界元法
如果我們要使用有限元或有限差分方法執(zhí)行整個(gè)模擬，則復(fù)雜PCB的整個(gè)模擬將花費(fèi)大量時(shí)間。對(duì)于具有精細(xì)離散度的復(fù)雜系統(tǒng)，典型的仿真時(shí)間可以達(dá)到數(shù)小時(shí)。在這里，使用了一種更好的方法來模擬組件之間的熱流。
可以使用一些標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值技術(shù)來提取電路網(wǎng)絡(luò)模型，并且可以將相同的方法應(yīng)用于通過流體流動(dòng)的熱傳導(dǎo)和熱傳遞。通過數(shù)值提取復(fù)雜系統(tǒng)中的熱流和流體流動(dòng)回路，可以大大減少仿真時(shí)間。強(qiáng)大的模擬器已經(jīng)為復(fù)雜3D系統(tǒng)中的關(guān)鍵區(qū)域提供了從粗到粗的離散化調(diào)整，下一代求解器將采用網(wǎng)絡(luò)方法來解決這些類型的多物理場(chǎng)問題。