PCB設計中的CFD建模和仿真

CFD建模和仿真如何適合PCB設計？
在PCB設計中當大功率組件全速運行時，新的PCB布局將變得非常熱。MOSFET，CPU，FPGA，大電流RF組件，LED和許多其他組件會變得很熱，以至于在運行過程中會被燒毀。如果連接不正確，即使是簡單的LM系列運算放大器也會燒毀自身。散熱器是防止有源組件燒壞的第一道防線，但您可能需要采取其他措施來防止溫度過高。
電熱模擬告訴您由于不同組件中的電壓/電流，電路板將如何加熱。所有組件，即使是純電抗性的組件（例如電容器和電感器），都具有一些電阻性阻抗組件，并且會以熱量的形式耗散功率。通過定義每個組件作為PCB設計中的熱源的散熱，CFD建模和仿真從IC封裝級別開始。定義了熱源后，您可以檢查熱量如何在整個電路板上的其他地方轉移到設備外殼中，并最終轉移到周圍環境中。
CFD建模的流程
下圖顯示了如何將電熱協同仿真用作CFD建模和仿真的一部分，以及對這些仿真中使用的不同類型求解器的比較。每種類型的求解器（例如，FEA，FEM，FVM，FDTD和網絡模型）在電熱仿真和CFD中都有其位置，它們之間的總體差異是仿真和收斂時間。

僅當您在板上定義熱源時，以上模擬流程才有效。這是通過導電分析和導熱分析步驟完成的，這些步驟將組件的導熱系數與電流密度和熱量產生聯系起來。通常，這可以使用具有標準數值技術的常規場求解器來完成，也可以使用泄漏電流值（對于有源器件）來估算電路板上產生的總熱量。對于電阻器和其他無源元件，您只需使用歐姆定律和標準功耗方程來確定運行期間產生的熱量。
CFD建模和仿真的總體流程可分為以下步驟。這種類型的建模是在創建PCB布局并將已驗證的組件模型導入到板上以進行仿真之后發生的。
1、使用組件（包括無源器件和半導體管芯）中的功耗確定進入系統的熱源
2、模擬從封裝到周圍PCB的熱傳導
3、通過氣流模擬熱量從熱區傳遞到冷區的過程
這是一個經典的多物理場問題，在多個物理現象和電路板區域之間具有反饋，如下圖所示。注意，在此仿真流程圖中未考慮功率輸出與其他電氣特性的溫度依賴性。這將在模擬的CFD部分和熱源定義之間創建一個新的反饋回路。

在CFD建模和仿真中將IC功耗定義為源。然后，您可以檢查離開木板和3D封裝的強制或自然氣流。這在系統的不同部分和不同的物理現象之間創建了一個反饋回路。

其他問題中的邊界元法
如果我們要使用有限元或有限差分方法執行整個模擬，則復雜PCB的整個模擬將花費大量時間。對于具有精細離散度的復雜系統，典型的仿真時間可以達到數小時。在這里，使用了一種更好的方法來模擬組件之間的熱流。
可以使用一些標準的數值技術來提取電路網絡模型，并且可以將相同的方法應用于通過流體流動的熱傳導和熱傳遞。通過數值提取復雜系統中的熱流和流體流動回路，可以大大減少仿真時間。強大的模擬器已經為復雜3D系統中的關鍵區域提供了從粗到粗的離散化調整，下一代求解器將采用網絡方法來解決這些類型的多物理場問題。
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