仿真和测量不匹配？来看看热仿真工程师的正确打卡方式

让我们先设定一个场景。假设你有一个系统运行过热，你需要评估冷却解决方案，比如风扇或液体冷却。任何冷却解决方案都可以在仿真中评估，但你怎么在仿真模型中定义热源和边界条件呢？

获取热仿真的输入数据需要理解系统中热量的主要贡献者是什么。这意味着你需要使用原型进行一些测量，这样你才能在仿真模型中定义热源和边界条件。在测试电子系统时，主要的热量贡献者是通过一些不同的方法（如热电偶或红外相机）测量确定的。

一旦这些主要因素被知晓，只要正确使用测量数据，就可以模拟一个系统。为了看看这是如何工作的，我们将检查在设计中应该收集哪些测量数据以及它们是如何在设置热仿真中使用的。

1-从热测量开始

建立准确的热仿真始于进行准确的测量，并定义你想要在仿真中重现的情况。在热仿真中，最终目标是计算给定热源集 合的系统温度分布。此外，我们希望确定一旦系统受到干扰，如空气流动，变化所需的时间。这个初始的温度分布仿真可以用来评估重新设计，比如向系统中添加风扇。    

2-从定义需求开始

在进行温度测量之前，首先要明确你想要与测量结果进行比较的情况。例如，你需要决定测试案例的以下方面：

▪重要组件的功耗是多少？

▪是否包括了如热间隙垫或散热器等特殊材料？

▪一旦进行了修改，系统中的测量是否可重复？

这些都是在为产品设置热测试案例时的基本任务。分析的两个常见情况是我们的标准操作条件和压力操作条件。前者检查产品被使用的典型场景，而后者检查产品可能容易失败的额定操作范围的上限。

3-测量位置

为了确定产品内部的温度分布，系统内的测量应该在几个关键区域进行。温度测量需要通过以下方式进行：

▪使用热电偶进行点测量

▪使用红外热传感器进行点测量

▪使用热像仪进行完整系统测量

使用红外点传感器进行热测量是点对点的解决方案；它们在系统的特定点给出温度读数。然而，就像热像仪一样，它们需要打开外壳才能访问PCB上的温度读数。使用热电偶进行点测量是最理想的，因为这些可以连接到封闭的封装中，并直接附着到IC封装上进行温度测量。    

当使用一组热电偶时，你应该直接在所有热IC封装上进行测量，因为这些封装将主导系统中的加热。直接在IC封装上的测量将用于后来确定热仿真中需要的一些材料数据。

还应该测量外壳内部空腔的温度。这是设计中停滞空气的测量，它将是评估仿真模型的一部分。最后，将热电偶附着到外壳表面或使用热像仪测量外壳温度。

这些直接测量可以使用现成的数据采集（DAQ）单元捕获。

一旦连接了热电偶，设计应该在时间上进行监控，以检查接近平衡的过程。一旦达到平衡温度，DAQ将在系统中的每个测量点记录连续的测量。

有时，当外壳低矮且没有热电偶的开放接入点时，获取所有这些测量可能会很困难。在这些系统中，更有意义的可能是让外壳保持开放，并将PCB限制在一个稍大的盒子中，以为热电偶腾出空间。另一个选择是使用热像仪进行直接成像，而不是使用热电偶进行点测量，因为这样可以直接从主要的热产生组件获取表面温度测量。

4-在仿真中重现测量    

在分析仿真中的设计变更之前，需要使用现有数据来在仿真中重现现有的测量结果。在仿真中重现测试案例是验证你的仿真模型的一种形式；首先将物理测试案例作为基准，用来对仿真结果进行基准测试。

热仿真需要解决封闭系统中的热方程，这需要知道系统中各个点的热导率。集成电路封装并没有像外壳材料或PCB材料那样以表格形式列出这些数据，但是可以从数据表中的封装热阻值和操作期间的直接温度测量来确定。

热仿真需要一个热源（S）的值，以便预测产品中的稳态温度分布。下图显示了一个集成电路仿真包所需的输入，以计算来自源（S）的热流：

T(环境)的值将是外壳内部停滞空气的初始条件。其他温度值（T）可以作为定义仿真中热源的静态值。为了简化，你可以将T设置为你在平衡时的封装温度测量值。

有了确定的封装热导率（k）和静态封装温度（T），你现在可以设置以下设置的瞬态热仿真：

▪初始条件：

1)已知T(环境)，允许变化

2)外壳体的温度（可以设置为T(环境)）

▪边界条件：

1)从测量中已知T，设置为静态值    

2)外壳外的温度（可以设置为室温）

或者，你可以通过将T(环境)作为停滞空气温度和系统处于热平衡时你测量的外壳温度来设置一个稳态热仿真。这些仿真更快，并将为你的系统提供仿真模型的良好验证。

初始的热仿真结果可以用来评估系统的修改。

5-修改系统并重新仿真

一旦系统经过仿真并获得了参考数据，现在可以实施提议的修改，并重新检查系统。如果可能的话，这可以与新的测量一起进行，尽管在这种系统中并非总是可能进行这样的变更。无论如何，仿真是开始验证设计变更以减少热负荷的最快方式。

例如，你用来复 制热电偶测量的合格仿真模型然后可以修改以包括一个风扇。通过CFD-热联合仿真，可以添加一个气流源，并运行瞬态仿真来检查不同流速对操作期间平衡温度的影响。通过这种方法，你可以快速识别出在测量中难以确定的几个可能的问题，例如：

▪停滞空气中的热点

▪低流量区域

▪进气口和排气口的位置如何影响气流    

▪外壳表面温度如何受到上述点的影响

▪温度降低与气流功能的关联有多大

▪排气空气温度

其中一些点可以直接在板面上作为典型的热仿真可视化，但叠加了流线以说明气流的位置和数量。其他冷却措施，如使用散热器、将热界面材料附着到外壳上，或使用物理尺寸更大的外壳，也可以在这些仿真中进行检查。

尽管为仿真收集热数据的前端工作耗时，但它为设计团队提供了更快的设计变更验证，这些变更与热控制和管理相关。最终，这减少了原型旋转，节省了额外的时间和精力，并且随着新原型的建造用于测试，仿真模型可以不断修改。不断壮大的设计团队可以通过将这种能力添加到他们的设计工具套件中快速看到投资回报率。