Termisk simulering: Sådan får du de rigtige data til din model
Forestil dig et system, der bliver varmere, end det burde. Spørgsmålet er nu, hvilken køling der skal til: en ventilator, en større heat sink, termiske gap pads eller væskekøling? Termisk simulering kan evaluere alle mulighederne – men kun hvis simuleringsmodellen afspejler virkeligheden. Og det gør den kun, hvis varmekilder og randbetingelser er defineret ud fra rigtige data.
Det er her, mange termiske simuleringer går galt. Modellen bygges på antagelser i stedet for målinger, og resultaterne ser overbevisende ud uden at kunne valideres.
I denne artikel gennemgår vi, hvordan du får de rigtige data til termisk simulering:
Hvilke målinger du skal indsamle på en prototype
Hvordan du bruger målingerne til at opsætte og validere simuleringsmodellen
Hvordan du derefter evaluerer designændringer med simulering frem for nye prototyper
1. Start med målinger
Målet med den første simulering er at genskabe den temperaturfordeling, du allerede kan måle. Den fungerer som et valideringstrin: Rammer simuleringen målingerne, kan du stole på den, når du begynder at ændre designet.
Definér testscenariet
Før du begynder at måle, skal scenariet være klart defineret:
Hvor meget effekt afsætter de vigtigste komponenter?
Indgår der termiske gap pads, heat sinks eller andre termiske løsninger?
Kan målingerne reproduceres, når der er foretaget ændringer?
Typisk analyseres to scenarier: normal drift, der afspejler den daglige brug af produktet, og stresset drift, der presser systemet til grænsen og tester dets margin.
Hvor og hvordan skal du måle?
Der er tre gængse metoder til at måle temperaturer i et elektronisk system:
Metode
Styrke
Begrænsning
Termoelementer
Præcise punktmålinger, kan monteres direkte på IC-pakker i et lukket kabinet
Kræver adgang til at montere og føre ledninger ud
Infrarød punktsensor
Hurtig, berøringsfri punktmåling
Kræver åbent kabinet og fri sigtelinje til PCB’et
Termisk kamera
Viser temperaturfordelingen over hele overfladen
Kræver åbent kabinet; måler kun overfladetemperatur
Termoelementer er ofte at foretrække, fordi de kan monteres direkte på IC-pakkerne og bruges i et lukket kabinet. Det giver præcise aflæsninger under realistiske driftsforhold.
Mål som minimum på:
Alle varme IC-pakker. Pakkerne er typisk de dominerende varmekilder i systemet.
Luften inde i kabinettet. Temperaturen på den stillestående luft kan virke irrelevant, men den er afgørende for at validere modellen.
Kabinettets overflade, enten med et termoelement eller et termisk kamera.
Der kræves ikke avanceret udstyr. En standard DAQ-enhed med termoelementer er tilstrækkelig.
Når termoelementerne er monteret, skal systemet overvåges over tid, indtil temperaturen når ligevægt (steady state). DAQ-enheden registrerer forløbet for hvert målepunkt, hvilket også giver data til transiente simuleringer.
Er kabinettet så lukket, at der ikke er adgang til termoelementer, kan PCB’et placeres i et større testkabinet. Alternativt kan et termisk kamera måle overfladen på de primære varmekilder direkte.
2. Genskab målingerne i simuleringen
Med målingerne i hånden kan du bygge simuleringsmodellen og validere den mod den fysiske test.
Termisk simulering løser varmeligningen (heat equation) i et afgrænset system og kræver derfor kendskab til den termiske ledningsevne i systemets dele. For kabinet og PCB-materialer er værdierne kendte. For IC-pakker er de det typisk ikke direkte – men de kan udledes af den termiske modstand i databladet kombineret med de målte temperaturer under drift.
For at forudsige temperaturfordelingen skal simuleringen have en værdi for varmekilden (S). Illustrationen viser de nødvendige input for en IC-pakke til at beregne den heat flux, der udgår fra kilden:
T(ambient) er startværdien for den stillestående luft i kabinettet. Den anden temperaturværdi, T, kan sættes som en statisk værdi, der definerer varmekilden – for enkelhedens skyld pakkens målte temperatur ved ligevægt.
Med den termiske ledningsevne for pakken (k) og den statiske pakketemperatur (T) kan du opsætte en transient termisk simulering:
Type
Parameter
Initial conditions
T(ambient) kendt og tilladt at ændre sig
Initial conditions
Kabinettets temperatur (kan sættes til T(ambient))
Boundary conditions
T kendt fra måling, sat som statisk værdi
Boundary conditions
Temperaturen uden for kabinettet (typisk stuetemperatur)
Alternativt kan du opsætte en steady state-simulering med T(ambient) som lufttemperatur og den målte kabinettemperatur ved ligevægt. Den er hurtigere og giver en solid validering af modellen.
3. Ændr designet og simulér igen
Når modellen er valideret, kan du begynde at evaluere designændringer. Kan ændringerne også verificeres med nye målinger, er det en fordel – men simuleringen er den hurtigste vej til at vurdere, hvilke løsninger der reelt reducerer den termiske belastning.
Tag den validerede model og tilføj f.eks. en ventilator. Med en CFD-termisk co-simulering tilføjer du en luftstrøm og kører en transient simulering for at se, hvordan forskellige flowhastigheder påvirker ligevægtstemperaturen. Det afslører forhold, der er svære at se med målinger alene:
Hot spots med stillestående luft
Områder med lavt flow
Hvordan indtag og udblæsning påvirker luftstrømmen
Hvordan luftstrømmen påvirker kabinettets overfladetemperatur
Hvor meget temperaturen falder ved et givet flow
Udblæsningsluftens temperatur
Resultaterne kan visualiseres direkte på PCB’ets overflade med strømlinjer, der viser luftstrømmens fordeling. Andre kølestrategier – heat sinks, termiske interface-materialer mod kabinettet eller et større kabinet – kan evalueres på samme måde.
Værktøjer til termisk simulering
Celsius EC Solver er bygget til netop denne type analyse: luftstrømme, temperaturprofiler og heat transfer i elektroniske systemer. Den håndterer konvektion, konduktion og stråling, naturlig og tvungen konvektion, solar heating og væskekøling, og bruger en multi-level ustruktureret meshing-teknologi, der kan skaleres til hundredvis af kerner for komplekse systemer.
Det indledende arbejde med at indsamle termiske data kan virke tidskrævende. Men det lægger fundamentet for, at teamet hurtigt kan vurdere designændringer – uden at bygge en ny prototype for hver idé. Det sparer både tid og penge, og modellen kan løbende forbedres, når nye prototyper testes.
