使用多重物理量热有限元求解器进行求解

从热像仪温度地图或热有限元解算器

我使用我的电脑工作,我从来没有主板或CPU由于过热烧坏。系统设计师使用非常精确的模拟和测量的热管理策略。在你的下一个复杂的系统,分析热流是至关重要的,以确保温度保持在安全操作范围内。如果你能确定哪些组件是创建热点在你的董事会,一些简单的重组或额外的散热器就足以降低温度和增加系统的生命周期。

这种类型的分析的主要工具是一个多重物理量热有限元求解器进行求解。有许多应用程序可以执行这些模拟,但大多数不采取直接从PCB设计文件和组件库数据进行模拟。相反,你将不得不手动模拟建立一个网,你将不得不手动定义在你的董事会热源。如果你使用一个electrical-thermal仿真工具像有限元解算器,您可以轻松地开发板的热管理策略。

来源的热方程和对流

电子系统不是孤立的气流和含有大量的热量来源。作为热分析的一部分,您将需要考虑系统的基本物理现象:

• 在组件散热集成电路:电流在电阻元件和开关使电能损失热量,称为焦耳加热。

• 热传导:冷热对象之间的传热可以仅仅由于被接触的对象。

• 热对流:冷热区域之间的气流可以携带热量的一个系统。换句话说,清凉的空气可以把热量从热组件,然后流到一个很酷的组件。温暖的空气然后转移对冷却器的热组件。

• 迫使层流或对流:层流气流或对流可以故意使用驱动的冷却风扇,这需要考虑与自然对流。

孤立地考虑这些基本物理过程相对简单,并使用一些简单的方程可以确定。你可以找到这些方程在很多工程和物理教科书。这些方程封闭形式,允许计算电流所产生的热量(焦耳加热),系统之间传热率,温度变化由于添加或删除热。

因为你需要考虑系统中的气流,层流还是由对流驱动,你需要一组方程,链接系统中的气流的温度系统。这是通过治疗传热和气流的流体动力学问题,如下所示。

热流在电子热流体动力学问题

通过结合navier - stokes方程,动量守恒,热方程,我们到达下面的一组耦合的非线性微分方程来描述热流和气流在电子系统。

热方程n - s方程(上),(中间)和动量守恒(底部)。

在上面的第一个方程中,导数项前的常量在流体动力学通常的意义,和最右端项占任何压力梯度系统中(例如,由于电子风扇)。T (r, T)是系统的温度场和u (r, T)是气流速度在时间和空间上。年代是一个热源,占焦耳加热组件,和P的外部压力梯度驱动气流。

这里,您需要定义一些系统中初始气流速度和温度在空间和时间研究这些量是如何演变的。所需的其他输入PCB基板的热导率、组件和其他元素,如散热片和铜导体。

解释这些方程

这些方程的解释很简单;解决方案告诉你系统中气流和电流所产生的热量产生的温度场模拟。这里,两点之间传输的总热量是次要的;电子系统的变量我们关心的是董事会和组件的温度。

一旦生成一个解决方案,可以检查温度临界点作为S和p的函数计算空间平均在关键组件,您可以联系保持组件所需的气流在特定温度的热量消散的组件。这类图的一个示例如下所示(注意标准化量表)。

结果分析结果示例。在这里,归一化显示了驱动气流压力梯度的函数归一化的焦耳加热系统。每个曲线代表一个理想的平衡温度。

使用强制热有限元求解器进行求解

上面的方程可以解决手工在一些有限的情况下,在有限的情况下和一些合理的假设。当雷诺数较低,我们观察气流接近印刷电路板的表面,可以近似为层流流动,空间变量的数量减少3比1。如果你把董事会平面定义的初始和边界条件,您可以很容易地计算出系统的温度是空间和时间的函数。这给你一个简单的上限所需的气流保持一个特定的温度。

一个真正的系统要复杂得多,需要治疗热有限元求解器进行求解。这种类型的仿真工具是理想的稳定的物理问题,同时多个物理现象及其相互作用被认为是。上面讨论的问题是其中一个例子在科学和工程中找到。

如果你使用PCB,你需要你的董事会设计导入仿真工具,建立一个网格板。然后用于计算温度场的有限的差异从初始条件和边界条件。然后通过迭代生成完整的解决方案,可以可视化为彩色地图。你可以立即看到热点设计和调整你的布局保持低温度。

极端温度在你的董事会和组件可靠性的关键因素,但是你可以构建和执行重要的有限元解算器模拟与热摄氏温度解算器从节奏。您还可以使用完整的套件PCB设计和分析软件和节奏的全部分析工具套件修改你的设计和创建一个有效的热管理策略。

如果你想了解更多关于节奏是如何对你的解决方案,跟我们和我们的专家团队。