Доля электроники в современных автомобилях продолжает расти и скоро превысит стоимость механических компонентов. Электроника также становится основным элементом конкурентоспособности модели автомобиля. Механическая конструкция больше не является определяющим фактором своевременной поставки модели, а скорее электроникой и программным обеспечением. Электронные компоненты должны быть разработаны не только быстро, они также должны соответствовать высоким стандартам с точки зрения производительности, качества и надежности.
Полупроводниковые чипы являются основным источником тепла
Основным источником тепла в электронике является полупроводниковый чип (ИС). Чувствительность к температуре этих чипов представляет собой сложную задачу при разработке охлаждающих механизмов, поскольку они преждевременно выходят из строя при перегреве. С увеличением функциональности тепловыделение возросло до такой степени, что это рассматривается как потенциальный фактор, ограничивающий скорость, с которой развивается электроника. Поэтому необходимы подходящие стратегии охлаждения.
Картинная галерея
Инженеры-механики, использующие программное обеспечение Mechanical Design Automation (MDA), несут ответственность за все аспекты физического проектирования изделия, за исключением микросхем и плат. Поэтому им приходится работать с инженерами-электриками, которые используют программное обеспечение EDA (Electronic Design Automation). В прошлом эти две области были связаны только посредством массивной передачи данных, обычно без необходимых фильтров, так что передается только термически релевантная информация. Это привело к слишком детальному проектированию, что означало, что проектировщик моделирования CFD либо должен был упростить модель вручную, либо имел проблему с длительным временем выполнения CFD и отсутствием сходимости.
Учитывайте тепло с самого начала
Рассмотрение хорошего управления температурным режимом при проектировании должно начинаться во время концептуальной фазы процесса разработки. Продукты в основном представляют собой сложные системы, которые требуют сотрудничества различных дисциплин проектирования и планирования: разработчиков IC и FPGA, проектировщиков компоновки, инженеров-технологов, разработчиков программного обеспечения, инженеров по надежности, дизайнеров, инженеров по маркетингу и электрике для высокочастотных технологий и т. Д. Во время концептуальной разработки. На этапе принимаются решения о целесообразности реализации продукта. Одно из таких решений: Может ли тепло, генерируемое системой, управляться на основе пространства, форм-фактора, желаемой производительности и функциональности?
Используя новое решение Flo-Therm-XT от Mentor Graphics, разработчик или эксперт по термодинамике может легко создать концептуальную модель микросхем, печатных плат и пакетов, а затем запустить моделирование, чтобы увидеть, может ли тепло рассеиваться. Если ответ положительный, конструкцию можно продолжить с точки зрения термодинамики. На иллюстрации ниже показан типичный процесс проектирования сложного компонента с использованием Flo-Therm-XT.
Итеративный процесс разработки
- Процесс начинается с концептуальной компоновки печатных плат. Здесь разработчик может создать приблизительную версию печатной платы и всех тепловыделяющих компонентов. Их можно создать заново или выбрать из библиотеки Smart Parts. Библиотека содержит как описанные компоненты, так и шаблоны, которые можно настраивать для отображения реальных деталей. Эти части размещены на концептуальной плате.
- Затем разработчик может создать концептуальный корпус и разместить монтажные платы в корпусе. Flo-Therm-XT обладает всеми функциональными возможностями механической конструкции, поэтому созданные детали или корпус могут быть настолько подробными, насколько это необходимо для правильного отображения целевого продукта. Если монтажные платы размещены в корпусе, можно добавить граничные условия и выполнить термический анализ (CFD). На основании полученного результата разработчик может изменить расположение деталей, добавить радиаторы к горячим деталям, изменить корпус и снова выполнить анализ.
- Этот процесс продолжается до тех пор, пока дизайнер не будет удовлетворен решением по управлению температурным режимом. Компоненты, которые имеют решающее значение для выработки тепла, правильно размещены на платах. Печатные платы размещаются в корпусе на правильном расстоянии. Затем можно принять концепцию проекта и передать информацию проектировщикам MDA и EDA, чтобы можно было провести детальную конструкцию.
По мере продолжения процесса детальные проекты из сред EDA и MDA можно автоматически импортировать в Flo-Therm-XT для анализа и оптимизации. Подробная печатная плата импортируется с помощью программы под названием Flo-EDA-Bridge. Инструмент может быть соответствующим образом адаптирован для фильтрации ненужных деталей в конструкции печатной платы, таких как: Например, многие развязывающие конденсаторы, которые не имеют отношения к тепловому выделению, нагрузочным резисторам, закруглению краев и т. Д. Если эти ненужные детали оставить в анализе CFD, это может излишне замедлить выполнение. Flo-EDA-Bridge работает напрямую через собственную базу данных инструмента проектирования печатных плат. Это исключает трудоемкое создание и последующую модификацию многочисленных интерфейсов.
Дополнительная информация по моделированию в процессе строительства
Ниже приведены некоторые ключевые факторы, по которым разработчикам, помимо специалистов по термодинамике, рекомендуется использовать эффективное программное обеспечение для CFD и теплового моделирования в процессе проектирования:
- Пунктуальный запуск продукта. Если планирование будет превышено только на несколько недель, это может задержать доставку новой модели, что обойдется автомобильной компании в миллионы.
- Дизайнер должен иметь возможность экспериментировать с различными дизайнерскими подходами. Это приводит к лучшему качеству, лучшей производительности и более конкурентоспособному продукту.
- Потребность в нескольких физических прототипах должна быть уменьшена. Они дороги и очень трудоемки.
- Продукт с высокой надежностью должен быть предоставлен. Это экономит гарантию и отзыв затрат и поддерживает репутацию компании.
Интегрировать механическое строительство
Те же преимущества применимы и к интеграции механической конструкции корпуса в Flo-Therm-XT. В этом случае модель также извлекается непосредственно из собственной базы данных любого другого распространенного инструмента M-CAD, и несущественные детали отфильтровываются из модели. Некоторые неотъемлемые функции программного обеспечения CFD становятся критическими факторами не только для обеспечения быстрого времени цикла, но также для дизайнеров и профессионалов, способных эффективно выполнять точный термический анализ.
Традиционные инструменты для программного обеспечения CFD требуют высокого уровня экспертных знаний и часто значительного времени для подготовки модели к решению. Они включают, например, ручную очистку модели, ручную настройку вычислительной сети и различные модификации, чтобы гарантировать, что решения сходятся. При использовании традиционных CFD время цикла итерации проекта может занять несколько недель, чтобы найти решение. К тому времени дизайн может продвинуться, поэтому необходим еще один цикл. С Flo-Therm-XT время цикла можно сократить с нескольких недель до дней или даже часов. Сокращенное время цикла помогает сократить время выхода на рынок. (Mz)
* Борис Марович - менеджер индустрии автомобилей и транспорта в Mentor Graphics