从某新品手机热设计谈Simcenter Flotherm BCI ROM 技术应用

1. 背景介绍

• 硬件设计

• 软件设计

• 计算效率

电子热设计中的瞬态仿真是一个重大挑战。现代电子设计需要考虑多个瞬态功率负载，各种功率控制策略以及该器件预期的广泛工作条件。即使使用Simcenter Flotherm中最先进的CFD求解器，探索所有可能性所需的计算时间也常常令人望而却步。时间压力可能会阻止研究整个设计空间，从而导致出错。

• 模型精度

模型热预测的准确性非常重要，因为温度、温度梯度、温度波动和温度变化率的增加都会通过各种损坏机制降低设备的可靠性。准确地预测电子器件时间上与空间上的温度变化是了解产品出厂可靠性的关键。

Simcenter Flotherm能够提取Boundary Condition Independent Reduced Order Model（简称BCI-ROM）与边界条件无关的降阶模型。这些BCI-ROM在所有工况条件下都能保持预测精度，并且求解速度比CFD快更多数量级，可大大提高协同研发效率。

BCI ROM为基于动态紧凑热模型的热电阻和热容提取方法提供了一种替代方法。动态紧凑热模型采用有限的表面积划分，通常仅适用于单个热源封装。Simcenter Flotherm的BCI ROM技术允许求解任何数量热源线性传导问题，具有与完整3D热模型相同的精度，并且求解速度确可提高40,000倍。

BCI ROM技术是FANTASTIC方法的扩展，该方法是意大利米兰理工大学的Lorenzo Codecasa教授率先提出的。他的出版物大致描述了该方法，并将其应用于几个验证示例。通过FANTASTIC方法在数学上保证了准确性。用户提取BCI ROM时将所需的精度设置为“可接受的相对误差”，同时，也可以设置传热系数的提取范围。

Simcenter Flotherm的BCI ROM技术提供了进入更广泛电子仿真环境的工作流程。BCI ROM技术允许热设计师考虑任意数量热源的任何瞬态功率变化、环境条件下的时间或空间变化、3D结构内热流路径的变化等问题，并且在几分钟内即可模拟几小时的实际物理时间。其工程价值点列举如下：

• 矩阵可用于MathWorks®MATLAB®与GNU Octave (数值计算软件包)
• 矩阵可用于模拟电热器（例如Mentor的SystemVision®Cloud）的SPICE电子电路仿真软件
• 矩阵也可以在电子表格（例如Microsoft®Excel™）中进行稳态求解

在电动汽车动力总成应用中，模拟逆变器中功率电子器件在电机驱动器和电池之间经历的温度偏移是评估现场可靠性的关键。使用Simcenter 1D 软件对电动汽车电驱和冷却系统进行建模，可以将标准行驶周期内（如NEDC）的速度vs时间曲线转换为逆变器功耗vs时间曲线。该功耗vs时间曲线可以用作逆变器单元的BCI ROM的输入，从而可以在整个驾驶周期内准确预测温度随时间变化的关系。另外，也可以采用雨流计数来计算温度波动的数量和幅度来计算逆变器组件内部产生的疲劳损伤，从而获得使用寿命的预测。