我們先設(shè)定一下場景：假設(shè)某一系統(tǒng)運行溫度過高，需要評估冷卻解決方案，如使用風(fēng)扇或液體冷卻。所有冷卻解決方案均可在仿真中進行評估，但如何在仿真模型中定義熱源和邊界條件？

要獲取熱仿真的輸入數(shù)據(jù)，需要了解系統(tǒng)中的主要熱源。這意味著要使用原型進行一些測量，以便在仿真模型中定義熱源和邊界條件。在測試電子系統(tǒng)時，有幾種測量方法（例如熱電偶或紅外攝像機）都可以確定主要熱源。

在確定主要熱源后，只要正確使用測量數(shù)據(jù)，便可進行系統(tǒng)仿真。為了解仿真過程，我們將探討在設(shè)計中收集哪些測量數(shù)據(jù)，以及如何使用它們來設(shè)置熱仿真。

從熱測量開始

為了確保熱仿真的精確性，首先需要進行精確的測量，定義想要在仿真中重現(xiàn)的情況。在熱仿真中，最終目標是計算系統(tǒng)中一組給定源的溫度分布。此外，我們還要確定系統(tǒng)在受到干擾（例如氣流干擾）后發(fā)生變化所需的時間。然后可以使用此初始溫度分布仿真來評估新設(shè)計，例如在系統(tǒng)中添加風(fēng)扇。

從定義要求開始

在測量溫度之前，首先要明確您想要與測量結(jié)果進行比較的具體場景。例如，您需要確定測試用例的以下方面：

重要器件的功耗是多少？

是否包括導(dǎo)熱墊或散熱器等特殊材料？

更改后，系統(tǒng)中的測量結(jié)果是否可重復(fù)？

這些都是為產(chǎn)品設(shè)置熱測試用例時的基本任務(wù)。設(shè)置熱測試時有兩個最常見的場景：分析標準作業(yè)條件和壓力作業(yè)條件。前者展示產(chǎn)品的典型使用場景，后者用于確定產(chǎn)品可能容易出現(xiàn)故障的額定工作范圍上限。

測量位置

為了確定產(chǎn)品內(nèi)部的溫度分布，應(yīng)在系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵區(qū)域進行測量。以下是幾種常見的溫度測量方法：

使用熱電偶進行點測量

使用紅外熱傳感器進行點測量

使用熱像儀進行全系統(tǒng)測量

使用紅外點傳感器進行的熱測量是一種瞄準式解決方案，能夠提供系統(tǒng)中特定點的溫度讀數(shù)。然而，就像熱像儀一樣，這種測量需要將外殼完全打開，才能從 PCB 上獲取讀數(shù)。使用熱電偶進行點測量是最理想的選擇，因為它們可以接入封閉的封裝中，并直接連接到集成電路封裝進行溫度測量。

使用手持式紅外傳感器進行點測量

當使用一組熱電偶時，應(yīng)直接測量所有熱集成電路封裝，因為這些封裝是系統(tǒng)中的主要熱源。隨后將使用這些直接測量數(shù)據(jù)來確定熱仿真中所需的一些材料參數(shù)。

此外，還應(yīng)獲取外殼內(nèi)部空隙的溫度讀數(shù)。這也可測量設(shè)計中的停滯空氣，因此將成為仿真模型評估的一部分。最后，將熱電偶連接到外殼表面或使用熱像儀測量外殼溫度。

這些直接測量值可以通過現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ）單元捕獲，例如下圖所示的測量計算單元。

用于捕獲熱電偶測量值的 DAQ 單元。

連接熱電偶后，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測設(shè)計，觀察其是否達到熱平衡。一旦系統(tǒng)達到平衡溫度，DAQ 將記錄每個測量點的連續(xù)溫度數(shù)據(jù)。

在某些情況下，如果外殼體積較小且沒有開放的熱電偶接入點，可能很難獲取所有這些測量值。在這些系統(tǒng)中，更合理的做法可能是打開外殼并將 PCB 放置在較大的盒子中，以便為熱電偶留出空間。另一種選擇是使用熱像儀直接成像，而不是使用熱電偶進行點測量，因為這可以直接從主要產(chǎn)熱器件獲取表面溫度測量值。

在仿真中重現(xiàn)測量值

在仿真中分析更改的設(shè)計之前，需要使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)在仿真中重現(xiàn)現(xiàn)有的測量值。在仿真中重現(xiàn)測試用例，可以驗證仿真模型——用物理測試用例作為參考，可以評估仿真結(jié)果的準確性。

熱仿真需要求解封閉系統(tǒng)中的熱方程，這要求掌握系統(tǒng)中各個點的熱導(dǎo)率。就集成電路封裝而言，這些數(shù)據(jù)不像外殼材料或 PCB 材料那樣以表格形式提供，但可以根據(jù)數(shù)據(jù)表中的封裝熱阻值和操作過程中直接測量的溫度值來確定。

熱仿真需要熱源（S）的值，以便預(yù)測產(chǎn)品中的穩(wěn)態(tài)溫度分布。下圖展示了集成電路仿真包計算源熱通量（S）所需的輸入?yún)?shù)：

根據(jù)封裝熱阻、封裝尺寸和溫度測量值來計算熱通量。

Tambient（即環(huán)境溫度）的值將作為外殼內(nèi)部停滯空氣的初始條件。為了在仿真中定義熱源，可以將另一個溫度值（T）視為靜態(tài)值。為簡單起見，可以將 T 設(shè)置為平衡狀態(tài)下的封裝溫度測量值。

確定封裝熱導(dǎo)率（k）和靜態(tài)封裝溫度（T）的值之后，可以使用以下設(shè)置進行瞬態(tài)熱仿真：

初始條件：

Tambient已知，可調(diào)整

外殼主體溫度（可設(shè)置為Tambient）

邊界條件：

T 從測量中獲得，設(shè)置為靜態(tài)值

外殼外部溫度（可設(shè)置為室溫）

您也可以通過將 Tambient設(shè)為系統(tǒng)達到熱平衡時測量的停滯空氣溫度和外殼溫度，進行穩(wěn)態(tài)熱仿真。這種仿真方法速度更快，并且能夠有效驗證系統(tǒng)仿真模型。

初始熱仿真結(jié)果可用于評估對系統(tǒng)的修改。

修改系統(tǒng)并重新仿真

一旦系統(tǒng)經(jīng)過仿真并獲得參考數(shù)據(jù)，便可實施擬定的修改并重新檢查系統(tǒng)。如果條件允許，可以同時進行新的測量，盡管并非所有系統(tǒng)都支持此類修改。無論如何，仿真是確定設(shè)計更改以減少熱負荷的最快方法。

例如，您可以使用合格仿真模型來重現(xiàn)熱電偶的測量值，然后對其進行修改以添加風(fēng)扇。通過 CFD 熱協(xié)同仿真，可以添加氣流源并運行瞬態(tài)仿真，檢查不同流速對運行期間平衡溫度的影響。通過這種方法，您可以快速識別出一些在測量中難以發(fā)現(xiàn)的潛在問題，例如：

存在停滯空氣的重點區(qū)域

流量較低的區(qū)域

進氣口和排氣口位置對氣流的影響

上述因素對外殼表面溫度的影響

溫度下降與氣流之間的關(guān)系

排氣溫度

在典型的熱仿真中，部分上述參數(shù)會直接顯示在電路板上，但會疊加流線來展示氣流的位置和流量。在這些仿真中，還會檢查其他冷卻措施，例如使用散熱器、將熱界面材料附著到外殼或使用尺寸較大的外殼。

帶有流線的熱感知 CFD 仿真。

雖然為仿真收集熱數(shù)據(jù)的前期工作較為耗時，但設(shè)計團隊能夠更快地驗證與熱控制和管理相關(guān)的設(shè)計更改。最終減少原型迭代次數(shù)，從而節(jié)省時間和成本，并且隨著新原型的構(gòu)建和測試，可以不斷更新仿真模型。Cadence 的 Celsius EC Solver 可以對復(fù)雜設(shè)計進行建模和分析、對復(fù)雜電子系統(tǒng)的流動和傳熱進行分析，不僅可以降低產(chǎn)品失效風(fēng)險，還可以優(yōu)化熱管理解決方案，最大程度地提升性能。