Программное обеспечение анализа тепловых режимов

софт
Программное обеспечение анализа
тепловых режимов печатных плат
BetaSoftBoard
Продолжая разговор об автоматизации проектирования аппаратуры,
хотелось бы затронуть мало освещенную в литературе, но очень важ
ную тему выполнения теплотехнических расчетов печатных плат.
процессе разработки конструкций
радиоэлектронной апторого
п
р
о
изводится выбор конструктив
ных решений при проектировании сис
тем. В современных условиях многие
предприятия не в состоянии содержать
специальные подразделения для прове
дения таких расчетов, и выполнять их
приходится разработчику, не имеющему
специальной глубокой подготовки в об
ласти теплопередачи. Существенную по
мощь в анализе тепловых процессов пе
чатной платы может оказать специализи
рованное программное обеспечение, по
зволяющее провести необходимые рас
четы и доступное для работы пользова
телю, не имеющему специальной подго
товки.
Для проведения анализа тепловых
режимов удобно использовать про
граммное обеспечение фирмы Dynamic
Soft
Analysis,
Inc.
(e
mail:beta@betasoftdsa.com).
При расчете используется более 50
уравнений, позволяющих провести пол
нентов на плате.
Помимо программного обеспечения
теплового анализа плат, фирмой Dynamic
Soft Analysis, Inc разработаны специали
зированные программы, позволяющие
рассчитать тепловые режимы корпусов
интегральных микросхем и микросборок.
Программа BetaSoftBoard имеет спе
циальный конвертер, обеспечивающий
В
Рис. 2. Окно программы BetaSoftBoard с загруженной печатной платой
близительно в 50 раз
выше, чем традиционные
конечноэлементные ал
горитмы. Типичное время
вычисления для платы из
100 компонентов на 486
персональном компьюте
ре при тактовой частоте
процессора 50 МГц – 30
секунд. Моделируются
интерфейс с САПР печатных плат различ
ных производителей. Меню интерфейса
показано на рис. 1.
При конвертации файл печатной пла
ты преобразуется в специализированный
входной формат BetaSoft.
Загрузка файла для анализа произво
дится при помощи команды File/Open. На
рис. 2 показано окно программы BetaSoft
Board с загруженной печатной платой.
Схемотехника № 3 март 2001
Рис. 1. Интерфейс программы BetaSoft–Board
ноценное трехмерное моделирование
явлений теплопередачи на плате. Точность
моделирования при этом составляет
порядка 10 % по сравнению с натурными
испытаниями.
При проведении моделирования ис
пользуются численные методы, основан
ные на принципах конечных элементов с
адаптивными сетками, генерирующие
адаптивные местные сетки, для того что
бы не допускать снижения точности на
мелких деталях проекта, не попадающих в
основную сетку платы. Преимущество рас
чета по конечноэлементной схеме – по
вышенное быстродействие анализа при
высокой точности. Алгоритмы BetaSoft по
зволяют достигнуть быстродействия при
2
процессы
теплообмена
теплопро
водности,
конвекции и
излучения.
Специальное
внимание
уделено мо
делирова
нию воздуш
ной конвек
ции с учетом
трехмерного
расположе
ния компо
Рис. 3. Вращение платы в пространстве с помощью команды Rotate
софт
С помощью команды File/Units устанав
ливают систему единиц измерения. Ко
манда File/Scale позволяет задать пре
делы изменения температуры.
Меню View позволяет обеспечить про
смотр верхней или нижней стороны платы
(Size), а также послойный просмотр (Layer).
Команды Zoom In и Zoom Out позволяют
изменять масштаб изображения, Redraw
выполняет перерисовку экрана, команда
Rotate позволяет вращать плату в про
странстве (рис. 3).
Команда Reference Name задает види
мость позиционного обозначения компо
нента.
Следующие команды меню View задают
вид параметров, отображаемых на экране
при анализе платы. В таблице 1 приведе
ны эти команды.
На рис. 4 и 5 приведены примеры
экранов программы BetaSoftBoard при
анализе мощности рассеяния и построе
нии карты распределения температур
печатной платы.
Рис. 4. Мощности рассеяния компонентов
Таблица
Видимость мощности
рассеяния каждого
компонента
Temperature Видимость
температуры каждого
компонента
Excess
Превышение
Temperature допустимых
температур для
компонентов
Board
Температурная карта
Temperature платы
Board
Карта градиента
Gradient
температур платы
Power
Рис. 5. Карта распределения температур платы
Рис. 5. Карта распределения температур платы
Меню Library предназначено для рабо
ты с библиотеками компонентов. Коман
да Master Library, меню которой пред
ставлено на рис. 6, позволяет работать с
огромным числом компонентов, создавать
новые компоненты, добавлять их с новым
корпусом (Shape) или параметрами
(Parameter), копировать (Copy), удалять
(Delete) их и т. п.
Меню редактирования компонента ос
новной библиотеки приведено на рис. 7.
В левой половине меню задаются пара
метры, характеризующие геометрию ис
пользуемого компонента, такие как тип кор
пуса, его размеры, величина воздушного
зазора между компонентом и платой, раз
меры и число выводов, их теплопровод
ность.
В правой половине меню приводятся
параметры, характеризующие тепловые
свойства компонента, такие как мощность
рассеяния, тепловое сопротивление меж
ду кристаллом и корпусом компонента, теп
ловые сопротивления между воздушной
средой и корпусом компонента при различ
ных скоростях обдува, коэффициент теп
лообмена излучением, свойства теплопро
водности зазора, предельные значения
температур корпуса и кристалла компонен
та.
Задавая соответствующие значения в
3
софт
Рис. 9. Меню команды Property
Рис.6. Команда Master Library
диалоговом режиме, разработчик доста
точно легко может настроить свою соб
ственную библиотеку компонентов, учиты
вающую все особен
ности проекта. Для
этого используется
команда Working Library, которая содержит
только те компоненты, которые предпола
гается использовать в текущем проекте.
Меню этой команды приведено на рис. 8.
Схемотехника № 3 март 2001
Рис. 7. Меню редактирования компонента основной библиотеки
Рис. 8. Команда Working Library
4
В библиотеку проекта легко могут быть
добавлены компоненты из основной биб
лиотеки. Команда CrossMatch добавляет
в основную библиотеку компоненты из те
кущей библиотеки проекта.
Меню Board позволяет задать необхо
димые параметры платы. Меню команды
Property (рис. 9) позволяет, помимо гео
метрических размеров и толщины слоев
платы, задать их тепловые свойства.
Возможно послойное задание тепло
проводности как металлизированных, так
и диэлектрических участков платы, доли
металлизированных участков во всей по
верхности платы, а также предельных тем
ператур корпусов и кристаллов компонен
тов.
Команда Local Property позволяет
задать свойства локального участка
платы.
Команда Cut Out позволяет задать
вырезы в плате, а команда Trim Corner –
скруглить углы.
Команды меню Placement позволяют
разместить на плате компоненты (коман
да Component, рис. 10), радиаторы (Heat
Sinks) и крепежные винты (команда
Screws).
Команда Shift Components (рис. 11)
сдвигает все компоненты на заданное
расстояние по вертикали и горизонтали.
Меню Environment предназначено для
задания свойств среды анализа. Границы
платы задают с помощью команды
Boundary, а условия анализа – с помощью
команды Conditions (рис. 12). Возможно
задание температуры и давления окру
жающего воздуха, условий принудитель
ного охлаждения, ориентации плат, коэф
фициентов эффективности теплоотдачи
и т. п. Кроме того, в этом же меню опре
деляются характеристики алгоритма рас
чета.
Моделирование выполняется с помо
щью команды Analyze/Run.
Следует заметить, что многие часто
используемые команды имеют пиктог
раммы, а развитая система помощи
позволяет подготовленному пользовате
лю быстро освоить программу.
Автор благодарит Грегори Лаззаро
(Gregory G. Lazzaro) из Dynamic Soft
Analysis, Inc за предоставленную демон
страционную версию и материалы по
программе BetaSoft.
Владимир Стешенко
steshenk@sm.bmstu.ru