我們先設定一下場景：假設某一系統運行溫度過高，需要評估冷卻解決方案，如使用風扇或液體冷卻。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據，需要了解系統中的主要熱源。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據，便可進行系統仿真。為了解仿真過程，我們將探討在設計中收集哪些測量數據，以及如何使用它們來設置熱仿真。

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的情況。在熱仿真中，最終目標是計算系統中一組給定源的溫度分布。此外，我們還要確定系統在受到干擾（例如氣流干擾）后發生變化所需的時間。然后可以使用此初始溫度分布仿真來評估新設計，例如在系統中添加風扇。

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？

是否包括導熱墊或散熱器等特殊材料？

更改后，系統中的測量結果是否可重復？

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

測量位置

為了確定產品內部的溫度分布，應在系統的幾個關鍵區域進行測量。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，能夠提供系統中特定點的溫度讀數。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。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，應直接測量所有熱集成電路封裝，因為這些封裝是系統中的主要熱源。隨后將使用這些直接測量數據來確定熱仿真中所需的一些材料參數。

此外，還應獲取外殼內部空隙的溫度讀數。這也可測量設計中的停滯空氣，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成的數據采集（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，應持續監測設計，觀察其是否達到熱平衡。一旦系統達到平衡溫度，DAQ 將記錄每個測量點的連續溫度數據。

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熱器件獲取表面溫度測量值。

在仿真中重現測量值

在仿真中分析更改的設計之前，需要使用現有數據在仿真中重現現有的測量值。在仿真中重現測試用例，可以驗證仿真模型——用物理測試用例作為參考，可以評估仿真結果的準確性。

熱仿真需要求解封閉系統中的熱方程，這要求掌握系統中各個點的熱導率。就集成電路封裝而言，這些數據不像外殼材料或 PCB 材料那樣以表格形式提供，但可以根據數據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，以便預測產品中的穩態溫度分布。下圖展示了集成電路仿真包計算源熱通量（S）所需的輸入參數：

根據封裝熱阻、封裝尺寸和溫度測量值來計算熱通量。

Tambient（即環境溫度）的值將作為外殼內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）視為靜態值。為簡單起見，可以將 T 設置為平衡狀態下的封裝溫度測量值。

確定封裝熱導率（k）和靜態封裝溫度（T）的值之后，可以使用以下設置進行瞬態熱仿真：

初始條件：

Tambient已知，可調整

外殼主體溫度（可設置為Tambient）

邊界條件：

T 從測量中獲得，設置為靜態值

外殼外部溫度（可設置為室溫）

您也可以通過將 Tambient設為系統達到熱平衡時測量的停滯空氣溫度和外殼溫度，進行穩態熱仿真。這種仿真方法速度更快，并且能夠有效驗證系統仿真模型。

初始熱仿真結果可用于評估對系統的修改。

修改系統并重新仿真

一旦系統經過仿真并獲得參考數據，便可實施擬定的修改并重新檢查系統。如果條件允許，可以同時進行新的測量，盡管并非所有系統都支持此類修改。無論如何，仿真是確定設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熱電偶的測量值，然后對其進行修改以添加風扇。通過 CFD 熱協同仿真，可以添加氣流源并運行瞬態仿真，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現的潛在問題，例如：

存在停滯空氣的重點區域

流量較低的區域

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系

排氣溫度

在典型的熱仿真中，部分上述參數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據的前期工作較為耗時，但設計團隊能夠更快地驗證與熱控制和管理相關的設計更改。最終減少原型迭代次數，從而節省時間和成本，并且隨著新原型的構建和測試，可以不斷更新仿真模型。Cadence 的 Celsius EC Solver 可以對復雜設計進行建模和分析、對復雜電子系統的流動和傳熱進行分析，不僅可以降低產品失效風險，還可以優化熱管理解決方案，最大程度地提升性能。