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PCB设计之热仿真(热分析)

  热分析可协助设计人员确定PCB上部件的电气性能,帮助设计人员确定元器件或PCB是否会因为高温而烧坏。简单的热分析只是计算PCB的平均温度,复杂的则要对含多个PCB和上千个元器件的电子设备建立瞬态模型。
  无论分析人员在对电子设备、PCB以及电子元件建立热模型时多么小心翼翼,热分析的准确程度最终还要取决于PCB设计人员所提供的元件功耗的准确性。在许多应用中重量和物理尺寸非常重要,如果元件的实际功耗很小,可能会导致设计的安全系数过高,从而使PCB的设计采用与实际不符或过于保守的元件功耗值作为根据进行热分析,与之相反(同时也更为严重)的是热安全系数设计过低,也即元件实际运行时的温度比分析人员预测的要高,此类问题一般要通过加装散热装置或风扇对PCB进行冷却来解决。这些外接附件增加了成本,而且延长了制造时间,在设计中加入风扇还会给可靠性带来一层不稳定因素,因此PCB现在主要采用主动式而不是被动式冷却方式(如自然对流、传导及辐射散热),以使元件在较低的温度范围内工作。 
热设计不良最终将使得成本上升而且还会降低可靠性,这在所有PCB设计中都可能发生,花费一些功夫准确确定元件功耗,再进行PCB热分析,这样有助于生产出小巧且功能性强的产品。应使用准确的热模型和元件功耗,以免降低PCB设计效率。

1元件功耗计算
  准确确定PCB元件的功耗是一个不断重复迭代的过程,PCB设计人员需要知道元件温度以确定出损耗功率,热分析人员则需要知道功率损耗以便输入到热模型中。设计人员先猜测一个元件工作环境温度或从初步热分析中得出估计值,并将元件功耗输入到细化的热模型中,计算出PCB和相关元件“结点”(或热点)的温度,第二步使用新温度重新计算元件功耗,算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入。在理想的情况下,该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止。
  然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务的压力,他们没有足够的时间进行耗时重复的元器件电气及热性能确定工作。一个简化的方法是估算PCB的总功耗,将其作为一个作用于整个PCB表面的均匀热流通量。热分析可预测出平均环境温度,使设计人员用于计算元器件的功耗,通过进一步重复计算元件温度知道是否还需要作其他工作。
  一般电子元器件制造商都提供有元器件规格,包括正常工作的最高温度。元件性能通常会受环境温度或元件内部温度的影响,消费类电子产品常采用塑封元件,其工作最高温度是85 ℃;而军用产品常使用陶瓷件,工作最高温度为125 ℃,额定最高温度通常是105 ℃。PCB设计人员可利用器件制造商提供的“温度/功率”曲线确定出某个温度下元件的功耗。
  计算元件温度最准确的方法是作瞬态热分析,但是确定元件的瞬时功耗十分困难。
  一个比较好的折衷方法是在稳态条件下分别进行额定和最差状况分析。
PCB受到各种类型热量的影响,可以应用的典型热边界条件包括:
  前后表面发出的自然或强制对流;
  前后表面发出的热辐射;
  从PCB边缘到设备外壳的传导;
  通过刚性或挠性连接器到其他PCB的传导;
  从PCB到支架(螺栓或粘合固定)的传导;
    2个PCB夹层之间散热器的传导。
  目前有很多种形式的热模拟工具,基本热模型及分析工具包括分析任意结构的通用工具、用于系统流程/传热分析的计算流体动力学(CFD)工具,以及用于详细PCB和元件建模的PCB应用工具。 

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