怎樣才能做好PCB熱仿真分析？

熱分析可協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定PCB上部件的電氣性能和可靠性，幫助確定元器件或PCB是否會(huì)因?yàn)檫^(guò)溫而導(dǎo)致功能失效或燒壞。簡(jiǎn)單的熱分析只是計(jì)算PCB的平均溫度，復(fù)雜的則要對(duì)含多個(gè)PCB和上千個(gè)元器件的電子設(shè)備建立瞬態(tài)模型。

無(wú)論熱仿真工程師在對(duì)電子設(shè)備、PCB 以及電子元件建立熱模型時(shí)多么小心翼翼，熱分析的準(zhǔn)確程度最終還要取決于PCB設(shè)計(jì)人員所提供的元件功耗的準(zhǔn)確性。

如果用比元件的實(shí)際功耗大的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱分析，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)于保守，而與之相反，也更為嚴(yán)重的是熱安全系數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)低，即元件實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度比分析人員預(yù)測(cè)的要高，此類問(wèn)題一般要通過(guò)加裝散熱裝置或風(fēng)扇對(duì)PCB 進(jìn)行冷卻來(lái)解決。這些外接附件增加了成本，而且延長(zhǎng)了制造時(shí)間，在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇還會(huì)給可靠性帶來(lái)一層不穩(wěn)定因素，因此PCB優(yōu)先采用主動(dòng)式散熱(如自然對(duì)流、傳導(dǎo)及輻射散熱)，其次再采用被動(dòng)式冷卻方式。

熱設(shè)計(jì)不良最終將使得成本上升而且還會(huì)降低可靠性，這在所有PCB設(shè)計(jì)中都可能發(fā)生，花費(fèi)一些功夫準(zhǔn)確確定元件功耗，再進(jìn)行PCB熱分析，這樣有助于生產(chǎn)出小巧且功能性強(qiáng)的產(chǎn)品。應(yīng)使用準(zhǔn)確的熱模型和元件功耗，以免降低PCB設(shè)計(jì)效率。

準(zhǔn)確確定PCB元件的功耗是一個(gè)不斷重復(fù)迭代的過(guò)程，PCB 設(shè)計(jì)人員需要知道元件溫度以確定出損耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。設(shè)計(jì)人員先初步確定一個(gè)元件工作環(huán)境溫度，或從初步熱分析中得出估計(jì)值，并將元件功耗輸入到細(xì)化的熱模型中，計(jì)算出PCB和相關(guān)元件的溫度，第二步使用新溫度重新計(jì)算元件功耗，算出的功耗再作為下一步熱分析過(guò)程的輸入。在理想的情況下，該過(guò)程一直進(jìn)行下去直到其數(shù)值不再改變?yōu)橹埂?/span>

然而PCB設(shè)計(jì)人員通常面臨需要快速完成任務(wù)的壓力，他們沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行耗時(shí)重復(fù)的元器件電氣及熱性能確定工作。一個(gè)簡(jiǎn)化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個(gè)作用于整個(gè)PCB表面的均勻熱流通量。熱分析可預(yù)測(cè)出平均環(huán)境溫度，使設(shè)計(jì)人員用于計(jì)算元器件的功耗，通過(guò)進(jìn)一步重復(fù)計(jì)算元件溫度知道是否還需要做其他工作。一般電子元器件制造商都提供有元器件規(guī)格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會(huì)受環(huán)境溫度或元件內(nèi)部溫度的影響，不同封裝形式的元器件規(guī)格也不同。PCB 設(shè)計(jì)人員可利用器件制造商提供的“溫度/功率”曲線確定出某個(gè)溫度下元件的功耗。

計(jì)算元件溫度最準(zhǔn)確的方法是作瞬態(tài)熱分析，但是確定元件的瞬時(shí)功耗十分困難。一個(gè)比較折衷的方法是在穩(wěn)態(tài)條件下分別進(jìn)行額定和最差狀況分析。

PCB受到各種類型熱量的影響，可以應(yīng)用的典型熱邊界條件包括:

• 前后表面自然或強(qiáng)制對(duì)流

• 前后表面發(fā)出的熱輻射

• 從PCB邊緣到設(shè)備外殼的傳導(dǎo)

• 通過(guò)剛性或撓性連接器到其他PCB的傳導(dǎo)

• 從PCB到支架(螺栓或粘合固定)的傳導(dǎo)

• 2個(gè)PCB夾層之間散熱器的傳導(dǎo)

目前做板級(jí)熱仿真分析比較主流的軟件一般是Flotherm，通過(guò)熱仿真分析可以對(duì)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，尋找設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)方案的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。而PCB熱設(shè)計(jì)優(yōu)化也是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)—仿真—測(cè)試循環(huán)不斷地流程，修正并積累熱仿真模型，加快熱仿真速度，提高熱仿真精度，補(bǔ)充PCB熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

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