案例應(yīng)用丨 電熱協(xié)同仿真分析實(shí)例：在真實(shí)服務(wù)器板上添加匯流條的仿真應(yīng)用

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品功能需求的日漸增長(zhǎng)，PCB載流需求也日益增大，導(dǎo)致熱管理問(wèn)題尤為突出。局部電流密度過(guò)大、板子溫升過(guò)高等情況對(duì)電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能性將產(chǎn)生不可忽略的影響。過(guò)大的載流導(dǎo)致溫升過(guò)高，而過(guò)高的溫升又將帶來(lái)更大的功耗，形成反復(fù)相互作用的惡性循環(huán)，輕則元器件效率降低，重則板子完全失效。

如何在不影響原有設(shè)計(jì)思路的前提下，規(guī)避這類潛在隱患成為工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。在此背景下，添加匯流條的方案應(yīng)運(yùn)而生。電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET順應(yīng)廣大用戶需求，致力于解決這一痛點(diǎn)，獨(dú)家支持在PCB上添加多類匯流條進(jìn)行仿真。

產(chǎn)品介紹

PhysimET&PhysimML

電熱協(xié)同仿真軟件PhysimET是PhysimML多物理場(chǎng)平臺(tái)的重要組成部分，其支持添加匯流條進(jìn)行直流電熱仿真，最大程度還原實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，具有高度的靈活性和廣泛的適配性。

PhysimML是芯瑞微(上海)電子科技有限公司推出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)，用戶能夠完成多層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的仿真分析，涵蓋PCB與封裝的電、熱、電熱、電熱應(yīng)力以及電熱磁等多物理場(chǎng)。一站式解決板級(jí)、封裝級(jí)的多物理場(chǎng)仿真場(chǎng)景，PhysimML能夠幫助用戶快速定位問(wèn)題，預(yù)測(cè)潛在的設(shè)計(jì)隱患，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，提高電子產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

添加匯流條——作用與設(shè)計(jì)

匯流條作為一種金屬幾何結(jié)構(gòu)，主要用于輔助載流和散熱，尺寸和形狀根據(jù)用戶需求定制。通過(guò)PhysimET，用戶能夠快速、高效、低成本的分析PCB正常或極限運(yùn)作狀態(tài)下的電氣、散熱特性，進(jìn)而規(guī)劃匯流條的最佳布局，有效減小電流熱點(diǎn)、降低溫度熱點(diǎn)，輔助用戶選擇合適的散熱方案，以確保PCB在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載工作下能夠保持穩(wěn)定的工作溫度，避免在生產(chǎn)階段出現(xiàn)問(wèn)題后需要重新設(shè)計(jì)或更換零部件的情況。這不僅節(jié)約了前期的設(shè)計(jì)成本和后期的調(diào)整、維護(hù)成本，還有效提高電子產(chǎn)品的安全性、可靠性、效率性和功能性，加速產(chǎn)品的迭代周期，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

實(shí)例演示——步驟與分析

本文將以實(shí)例演示如何使用PhysimET對(duì)PCB添加匯流條實(shí)現(xiàn)板級(jí)電熱協(xié)同仿真。本案例基于一個(gè)大型服務(wù)器的PCB，切割出其中一部分，從實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，向用戶展示真實(shí)、可靠且常見的大型服務(wù)器板級(jí)仿真，驗(yàn)證匯流條的重要性和實(shí)用性。

仿真設(shè)置步驟

01

案例模型導(dǎo)入
選擇需要仿真的案例并將其導(dǎo)入，此案例基于某大型服務(wù)器的PCB中的一部分，導(dǎo)入后模型如下圖所示。

案例TOP層設(shè)計(jì)視圖

02

修改仿真材料信息
檢查疊層信息和相關(guān)材料，將所有仿真涉及到的材料修改為具有電熱屬性的材料。PhysimET材料庫(kù)包含了大部分常用的材料，可供用戶選擇。

材料庫(kù)界面展示

03

構(gòu)建電源回路

本案例的電路模型由一個(gè)源端和兩個(gè)載端構(gòu)成，設(shè)置源端電壓值為12V;兩個(gè)載端各載流50A。

仿真電氣模型參數(shù)設(shè)置示意圖

04

提取電源樹

隨后提取電源樹查看電路連接情況。

電源樹

05

分析設(shè)計(jì)布局，添加匯流條

通過(guò)分析此真實(shí)服務(wù)器案例的設(shè)計(jì)布局，發(fā)現(xiàn)其電源網(wǎng)絡(luò)的部分銅皮覆蓋面積較窄，如下圖所示。然而此路徑要通過(guò)的載流高達(dá)100A，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致狹窄的銅皮路徑區(qū)域電流密度較大、溫度也較高，因此選擇一個(gè)在不影響原有設(shè)計(jì)并能優(yōu)化此潛在隱患的方案，即添加匯流條。

狹窄銅皮區(qū)域示意圖

在本案例的狹窄電源網(wǎng)絡(luò)銅皮上添加38根尺寸、高度不一，物料為銅的匯流條，通過(guò)PhysimET的匯流條設(shè)置界面，僅需10秒就可以完成所有設(shè)置，添加完匯流條的案例2D模型視圖如下。

2D視圖下TOP層匯流條布局

設(shè)置完成后查看板子和匯流條一體化的3D模型，如下圖所示。

Top層的匯流條布局3D示意圖

Bottom層的匯流條布局3D示意圖

06

熱仿真場(chǎng)景設(shè)置

本案例的仿真場(chǎng)景為添加匯流條的裸板焦耳熱仿真，在軟件設(shè)置界面選擇Joule heating only即可。

熱仿真場(chǎng)景設(shè)置

07

設(shè)置熱仿真條件

本案例為自然對(duì)流下的裸板焦耳熱仿真，環(huán)境溫度為25度，如下圖所示。

熱仿真條件設(shè)置

對(duì)比分析

以上是所有的仿真設(shè)置步驟。仿真結(jié)束后，通過(guò)對(duì)比添加匯流條前后的電流密度仿真結(jié)果云圖，可以明確觀察到匯流條起到了顯著的輔助載流作用。

添加匯流條前后的電流密度結(jié)果對(duì)比

對(duì)比添加匯流條前后的功耗結(jié)果，可見添加匯流條后功耗降低了18.6W。

添加匯流條前后功耗、溫度結(jié)果

在仿真時(shí)PhysimET會(huì)將PCB和匯流條共同建模進(jìn)行全3D網(wǎng)格剖分，使仿真模型無(wú)限接近于實(shí)際物理模型，確保最終仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度。

添加匯流條后的案例模型3D網(wǎng)格剖分示意圖

對(duì)比添加匯流條前后的溫度分布結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：如下圖所示，在未添加匯流條前，板子中的狹窄銅皮區(qū)域顯示出明顯的高溫分布，介于68度至77度之間。相比之下，添加匯流條后，同一區(qū)域的溫度分布顯著降低至40度至50度之間，且溫度的分布趨勢(shì)也有顯著的變化。由此可見，匯流條的引入十分有效地優(yōu)化了溫度分布和散熱方案。

溫度結(jié)果分布云圖

總結(jié)

在Layout View中，PhysimET支持以2D視角切換疊層，查看匯流條的位置以及設(shè)計(jì)的布局。相比于3D，2D的可視化效果更為突出，能夠更清晰的展示每一層的設(shè)計(jì)和仿真設(shè)置，有助于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

同時(shí)，針對(duì)這類大規(guī)模的仿真模型，3D平臺(tái)處理效率低且易出現(xiàn)卡頓，影響用戶的體驗(yàn)，而2D平臺(tái)處理這類場(chǎng)景則更為絲滑、流暢、高效，其效率和使用體驗(yàn)是3D平臺(tái)無(wú)法比擬的。

在使用PhysimET進(jìn)行仿真的全過(guò)程中，不論是過(guò)孔、匯流條或是其他的外部結(jié)構(gòu)，均采用全3D網(wǎng)格剖分技術(shù)，將匯流條等外部結(jié)構(gòu)和PCB整合建模后共同進(jìn)行網(wǎng)格剖分，高質(zhì)量還原物理模型，從而有效保證了這類仿真場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)可靠性以及準(zhǔn)確性。
 

敬請(qǐng)期待 and more…

若您對(duì)其他匯流條的仿真應(yīng)用實(shí)例感興趣，可參考之前發(fā)布的仿真推文中的匯流條案例系列。

案例應(yīng)用|PhysimET對(duì)PCB板添加匯流條的散熱效果分析(上)

案例分享|PhysimET仿真場(chǎng)景匯流條系列(下)

PhysimET對(duì)于板級(jí)匯流條仿真的支持不僅限于此，未來(lái)還將展示更多種類的匯流條應(yīng)用場(chǎng)景，敬請(qǐng)期待。