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準確、高效的仿真模型是完成虛擬仿真、實現(xiàn)精確設(shè)計、指導實際應(yīng)用等功能的重要基礎(chǔ)。在電力電子電能變換領(lǐng)域 不同設(shè)計階段和應(yīng)用背景下,對仿真模型的特性、精度和仿真速度有著不同要求。因此,根據(jù)需求提供滿足一定要求的仿真模型是建模工作的關(guān)鍵。
本文在于研究用 ANSYS icepak/Flotherm建模的時候,主要探討對芯片等材料屬性的選取與設(shè)置,以及本體模型如何構(gòu)建。文中給出相關(guān)材料屬性的方法探討也同樣適用于其他CAE軟件的建模。
在利用Flotherm或者Ansys Icepak等軟件對電子產(chǎn)品進行熱仿真時,一個避免不了話題就是如何對各種各樣的芯片進行建模,這主要是因為芯片種類眾多,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜。
工程師通常無法獲得芯片內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)信息,只能草草的按芯片的外形尺寸畫一個BLOCK了事。實際上,業(yè)界對此已有應(yīng)對措施,這就是Compact thermal modeling-壓縮熱模型。
本文將詳細介紹元件的方塊模型,詳細模型和壓縮熱模型,講解如何在熱仿真中使用這三種模型。
元件模型分類
在熱仿真中,按照元件的建模方式,可以將元件模型分為三類,這就是方塊模型,詳細模型和壓縮熱模型。其中,壓縮模型又可以分為雙熱組模型和Delphi模型,如下圖所示。
方塊模型
方塊模型,英文寫作Cuboid,是熱仿真中最簡單的元件模型。顧名思義,即以一個與元件外形尺寸一致的方塊來代替元件,然后為此元件賦予一個集總的熱傳導系數(shù)和熱損耗來進行熱仿真,如下圖所示。
方塊模型的優(yōu)點:
模型簡單,建模速度快
網(wǎng)格少
可以用于估計模型周圍的空氣溫度和PCB溫度
方塊建模的缺點:
無法得到元件結(jié)溫
需要估計模型集總熱傳導系數(shù)
元件溫度仿真精度不高
通過上面方塊模型的優(yōu)缺點分析,我們可以得知,當一個芯片的損耗較小,發(fā)熱不是很嚴重時,且對其結(jié)溫不是很關(guān)心時,可以選擇方塊模型來進行建模。對于芯片模型的熱傳導系數(shù),建議采用軟件材料庫內(nèi)的材料,如果材料庫沒有對應(yīng)的元件封裝,則建議塑膠封裝按5W/mK,陶瓷封裝按20W/mK來進行設(shè)置。如果在熱仿真中發(fā)現(xiàn)該方塊模型的溫度比較高,則建議采用其它建模方式來進行建模。
詳細模型
詳細模型,英文寫作Detail thermal model,很多文獻里簡稱為DTM,即Detail thermal model的縮寫。詳細模型理解起來很簡單,即按照芯片元件的外部和內(nèi)部的詳細尺寸,材料建立元件模型。下圖為一QFN芯片的詳細模型與實物的對比。
詳細模型優(yōu)點:
仿真精度高
可以得到精確的結(jié)溫
可以得到精確的殼溫
詳細模型缺點:
由于芯片廠商怕泄露芯片設(shè)計,模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以甚至不可能得到
網(wǎng)格非常多
通過上面的詳細模型優(yōu)缺點分析,我們可以得知,雖然詳細模型的仿真精度非常高,但是由于對于系統(tǒng)里的仿真來說,非常難以得到芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,對于系統(tǒng)級的仿真來說,并不適用。通常情況下來說,僅適用芯片生產(chǎn)廠家使用。
壓縮熱模型
如前所述,由于方塊模型的仿真精度不高,且無法得到模型結(jié)溫,而詳細模型雖然精度高且可以得到結(jié)溫,但是對于系統(tǒng)級的仿真來說,又通常難以得到芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
有鑒于此,業(yè)界提出了壓縮熱模型這一概念并制定了相關(guān)的標準。壓縮熱模型,英語寫作Comapct thermal model,通常簡寫為CTM。壓縮熱模型這一概念是在熱阻模型的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,其定義如下:
元件封裝內(nèi)包括一個完整的電路,且其溫度可以由內(nèi)部一結(jié)點的溫度來代替,即我們通常說的元件結(jié)溫
元件安裝于PCB板上
元件內(nèi)部產(chǎn)生的熱從元件內(nèi)部流到:
元件上表面,再經(jīng)過元件上表面流到空氣中或者散熱器中
元件側(cè)面
元件底面或者元件引腳,再通過元件底面和引腳流到PCB上
利用熱阻網(wǎng)絡(luò)來表示熱流途徑
元件每個外表面可以視作一個溫度結(jié)點,或者可以將每個外表面細分為多個溫度結(jié)點
在仿真實際中,通常根據(jù)JEDEC15標準,將壓縮熱模型分為雙熱阻模型和Delphi多熱阻模型。
雙熱阻模型
雙熱阻模型,英文為2 Resistances,簡寫為2R。在雙熱阻模型中,假定元件工作時產(chǎn)生的熱僅會從元件上表面和元件底面或者引腳傳出,不會從元件側(cè)面?zhèn)鞒觥R虼耍梢允褂迷Y(jié)點到殼結(jié)點的熱阻和元件結(jié)點到PCB板的熱阻來建立元件模型。雙熱阻模型示意圖如下圖所示。
假設(shè)一塊PCB板上僅有一個元件,則當使用雙熱阻模型來對此元件進行建模時,其熱傳遞途徑如下圖所示,從圖中我們可以清晰的看出,元件結(jié)點到殼結(jié)點的熱阻和元件結(jié)點到PCB板的熱阻兩者之間為并聯(lián)關(guān)系。
雙熱阻模型優(yōu)點:
模型簡單
網(wǎng)格少
模型參數(shù)比較少,僅兩個,且容易得到,部分可以從芯片規(guī)格書查知或者直接向廠家索取
對于模型周圍的空氣溫度和PCB溫度,仿真精度比方塊模型高
可以得到結(jié)溫
雙熱阻模型缺點:
由于忽視了元件側(cè)面,引腳等較多的的熱傳遞途徑,仿真精度在某些情況下達不到要求
通過上面的分析,可以得出以下結(jié)論,雙熱阻模型仿真精度比方塊模型高,但是與芯片真實散熱情況還有距離。在系統(tǒng)級的仿真中,可以利用雙熱阻模型得到精確的芯片周圍空氣溫度和PCB板溫度,以及不是那么精確的結(jié)溫,其結(jié)溫誤差最大可達20%。
Delphi模型
Delphi模型,有時也稱之為Multi Resistances模型,即多熱阻模型。與雙熱阻模型相比,多熱阻模型增加了更多的節(jié)點,可以考慮更多的散熱途徑。下圖為一QFP芯片的Delphi模型,在此模型中,除了考慮元件頂面和底面的熱傳遞外,還增加了元件引腳到PCB的熱阻,同時更將芯片頂面和底面分為內(nèi)部節(jié)點和外部節(jié)點,增加了元件結(jié)點到它們的熱阻值。
下圖為另一QFP模型的結(jié)點示意圖。
Delphi模型優(yōu)點:
模型簡單
網(wǎng)格少
對于模型周圍的空氣溫度和PCB溫度,仿真精度比2R模型高
可以得到準確的結(jié)溫
Delphi模型缺點
需要輸入的熱阻參數(shù)較多,且不可能從芯片規(guī)格書查知,需要向廠家索取
使用Delphi模型,可以得到比較準確的元件結(jié)溫和模型周圍的空氣溫度以及PCB溫度,因此,在條件允許的情況下,應(yīng)盡量向廠家索取Delphi模型或者熱阻值以進行仿真。
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