首页
发现
课程
培训
文章
案例
问答
需求
服务
行家
赛事
热门搜索
发布
消息
注册
|
登录
首页
/
文章
/
详情
提高电子产品寿命!仿真驱动电子产品的热设计
安世亚太
3年前
浏览4285
关注
01
写在前面
当前,电子产品朝着功能齐全、轻量化、低成本的方向发展,这种需求使得PCB板必须
在高密度电流的情况下工作。
一般来说,汽车电子产品在恶劣的环境中运行。
在过去的几十年中,电子在汽车行业中使用越来越多,其对轻量化和经济高效电子的需求呈指数级增长。
另外与外部包装轻量化要求相同,电子产品的功能增加了很多,这势必对电子产品的热管理提出了挑战。
为了满足应用程序所需的众多功能,电路板器件的密度、PCB板上的电流也增加了很多。
在高电流的需求下,焦耳加在PCB板上的热耗是非常大的。
如果采用自然散热的方式,不对PCB表面使用额外冷却手段的情况下,PCB上的器件和铜箔层的散热是一个巨大的热挑战。
02
PCB热管理实例介绍
在本研究中,该产品包含,一个塑料外壳,PCB及能够在高电流下工作的电子元件。
该PCB产品拥有多个输入和输出,支持各种负载。高密度电流流过PCB中的多层铜箔上。这些铜层(由于尺寸的限制) ,在高密度电流情况下,势必导致较高的焦耳热。另外,在PCB基板上有多个电子部件工作。结果,这些部件处于较高的工作温度下。
本研究使用热风险管理工具(Thermal Risk Management tool,TRM)进行电热模拟,热测量分别通过热成像和热电偶,来对热场和元件的温度进行测量。热模拟与测量的结果进行对比,误差在±3%范围内。
在验证了热仿真模型的基础上,通过仿真进行了参数化研究,优化了铜线的几何形状和元件位置,优化了元件、PCB的功耗、PCB布线的布局堆叠和PCB基材。这种优化有助于减少PCB板上的热点和温度。在早期产品的开发阶段,可以大大降低开发成本和产品成本。
PCB板上铜箔流入电流,进而产生热量,其公式为:
,其中Q表示焦耳热耗,单位为W;I为流入电路板的电流,单位为A;R为铜箔的电阻,单位为欧姆。
电阻R与铜箔的几何及电阻系数有关,其对应公式为:
,这里p表示铜箔的电阻率,单位为w.m;L为铜箔的长度,单位为m;A为电流通过铜箔的横截面积,单位为
。
随着电流的增大,焦耳热可能变成了一个巨大的挑战。如果内部产生的热量相对较高,加上比较恶劣的高温外部环境,热挑战就会被放大许多倍。
产品
对某一个汽车电子单元产品进行分析,它支持车辆上的多种应用。
为了满足所有这些需求,PCB板上需要通入较高的电流。
铜层,由于尺寸的限制,在流入高密度电流后,导致更高的焦耳热。
除此之外,电路板上的器件也会有大量的热生成。
相应的结果就是,整个PCB板上的器件处于高温的状态下。
电—热耦合模拟
PCB板的电-热模拟有助于(i)可视化整个板子的热场,(ii)识别电流流动的瓶颈,(iii)识别电路板上的热点,以便对PCB板铜箔布局进行优化,降低铜箔产生的焦耳热。
在本研究中,通过热风险管理方法(Thermal Risk Management tool,TRM)电-热模拟来进行,该工具用于计算电子器件和PCB的温度。
仿真模型
该模型由元件及其各自的功耗、PCB板内部的热过孔及热耗、PCB板基材(FR4)、不同的铜层、铜层之间电流流动的导电体、输入输出引脚等等。
外壳结构的影响主要体现在边界条件对应的换热系数上。
总的换传系数是考虑整个产品的传导、对流和辐射,进行系统级的共轭传热模型导出的,电流(I)被分配给输入和输出的引脚。
将环境温度作为边界条件应用于PCB及元件。
模拟的有效性
为了通过消除热瓶颈来评估产品的热风险,提高产品的使用寿命,对元件、PCB和塑料外壳的温度与极限进行了比较。
由于电子产品的温度每升高10°C,其寿命将减少一半,所有的电子产品将必须保持在合理的工作温度下。
寿命和工作温度的关系是:
t表示工作时间,单位为h;c为常数;T表示器件的工作温度,单位为K。
为了验证模拟结果,在实验室中通过红外热成像和热电偶测量,对板级和组件级进行了测量。分别用于热场和元件温度。模拟和测量结果表明PCB板的温升误差在±3%以内。
表1显示了被测量的几个工作部件的温度以及它们在模拟中的预测温度。
初始模型
一旦通过实验室测量验证了仿真模型,那么可以对完整模型进行全负荷加载,其中PCB板的电流和元件的功耗都是最大的。铜层的厚度信息如下表所示(每层厚度35微米):
测试电路板���顶面,电路板的最大温升为88.8 ˚C,电路板整体的焦耳热为13.03 W。
03
PCB热管理优化方案
优化方案1
由于焦耳热相当高(即13W),这势必导致PCB和元件的温度也比较高,因此需要对铜箔进行了修改,以减少它。作为减少焦耳热的第一步,可以通过增加铜层的厚度来增加电流流过的截面面积。铜层厚度如下:
通过计算,可以得到电路板上的最大温升为59.8˚C,焦耳热由13.03 W降至6.81W。随着铜层厚度增加为原来的两倍,电流流经的断面面积增加了一倍,这使得焦耳加热减少了一半。
方案1—PCB板顶部的温度分布云图
优化方案2
随着铜层厚度的增加,截面面积增大,这是降低PCB的焦耳热和最高温度的有效途径。在继续优化设计的方案中,选用最大的铜层厚度。修改铜箔层厚度信息,如下表所示:
方案2—PCB板顶部的温度分布云图
在此方案中,PCB板的最高温升为53.3˚C。增大电流流经的截面积可以进一步减少焦耳热,从而降低PCB的温度。顶层铜箔的最大电流密度从140A/mm2降至120A/mm2,内部4层的最大电流密度由73A/mm2降低至62A/mm2。
04
结论概述
降低元器件和PCB的温度是提高电子产品寿命的重要设计目标。
对于高电流密度的PCB板而言,要保持其维持安全的温度,焦耳热必须最小。
通过优化布线的几何尺寸,进行了方案的修改(PCB板布线布局的修改),进一步降低了PCB板及器件的最高温度,如方案2所示,内部层用来承载电流,使得PCB板的最高温升由原始的88℃降低到53℃,这大大提高了电子器件的寿命。
通过本案例的热模拟计算,可以帮助工程师在产品设计的初期阶段,快速找出热点区域,并采取相应的措施消除热点区域。
登录后免费查看全文
立即登录
系统仿真
汽车
消费电子
仿真体系
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2020-09-15
最近编辑:3年前
安世亚太
精益研发助推中国智造
关注
获赞 587
粉丝 7186
文章 424
课程 82
点赞
收藏
作者推荐
正向系列设计课-面向正向研发过程的精益研发体系建设及经典案例在线研讨会
免费
5.0
立即查看
0/200
清空
提交
1条评论
heji
愚公移山
3年前
赞!
回复
课程
培训
服务
行家
国产自主工业软件行业洞察2022第6期:世冠科技GCKontrol 7.0发布会
VA One中高频隔声性能分析应用课程10讲
汽车主机厂NVH整车路噪仿真及优化实战应用41讲
基于ADS信号SI和电源PI完整性精选36讲:反射、串扰、高速串行仿真训练
相关推荐
Creo机构运动仿真实战课程
基于Matlab和iSight悬置系统优化设计8讲:学会用MATLAB编制悬置系统解耦程序
"神工坊"高性能仿真平台使用操作
oasys-primer系列基础课程——dyna专业前处理软件
复合材料产品设计方法必修课4讲:纤维增强塑料设计/仿真/工艺及过程管理
最新文章
【Lumerical系列】硅基光电调制器(1)——基本原理
【Lumerical系列】硅基光电调制器(2)——常见的三种调制结构
探索声品质:如何用心理声学提升车内听觉体验
固态电池技术不断突破,叠加能源设备更新催化,板块个股集体爆发!
微电子基础学习(15)兼旧文重发(简单说说差分信号)
热门文章
某车型中高速工况热制动车身抖动分析与控制
Abaqus分析常见问题及解决方法(2):零主元和过约束
Abaqus分析常见问题及解决方法(3):负特征值(Negative Eigenvalue)
盘点·近十年来国外各公司推出的碳纤维产品
ABAQUS计算不收敛问题详解,排查方法+解决方案有哪些
其他人都在看
ABAQUS中Cohesive粘聚力模型的2种定义方式(附案例操作步骤)
几种常见的热仿真软件
STAR CCM 案例|电池包散热
工业互联网中数字孪生系统的机理+数据融合建模方法
电磁场仿真 | ChatGPT请回答,我想和你聊聊
VIP会员
学习
福利任务
兑换礼品
下载APP
联系我们
微信客服
联系客服
人工服务时间为周一至周五的9:30-19:30
非工作时间请在微信客服留言
客服热线:
4000-969-010
邮箱:
service@fangzhenxiu.com
地址:
北京市朝阳区莱锦创意园CN08座
帮助与反馈
返回顶部