Современная электроника №7/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 71 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2019 Рис. 1. Общий вид диода-выпрямителя на печатной плате Рис. 2. Стек печатной платы Рис. 5. Температурное поле на поверхности платы и диоде (Cadence Sigrity) Рис. 4. Детализированная модель верхнего слоя Рис. 3. Температурное поле (SolidWorks Flow Simulation) к недооценке его нагрева и получению неработоспособного устройства или к переоценке и необходимости построе- ния избыточной системы охлаждения, т.е. к увеличению сложности устройства, его массы, габаритов, стоимости и вре- мени разработки. Существует несколько методов тепло- вого моделирования электронных ком- понентов, характеризующихся разной точностью, сложностью, применимо- стьюв тойилиинойрасчётнойСАПРит.д. Используемыеметодымоделированияи тепловыемоделиделятсяна двабольших класса – детализированные тепловые модели (DTM – Detailed Thermal Model) и компактные тепловые модели (CTM – Compact Thermal Model) [2]. В зависимо- сти от решаемой задачи и доступности, необходимыхдлярасчёта данных, выби- рается та или иная модель. В настоящей статье используется двухрезистивная модель компонента – 2R-модель. Для наглядности при моделировании решается внешняя задача, имитирую- щая простейший случай – охлаждение платы с установленным компонентом посредством естественной конвекции, без корпуса. Температура окружающей среды задаётся равной +25°С. М ОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В САПР № 1 Примоделировании в САПР№1 стро- ится упрощённаямодель части электрон- ного устройства, т.е. моделируется непо- средственно сам диод-выпрямитель и участок платы100 × 100мм, посредством которого осуществляется охлаждение. Сам диод-выпрямитель представля- ется 2R-моделью, геометрия компо- нента описывается двумя параллеле- пипедами с размерами, аналогичны- ми размерам корпуса, как показано на рисунке 1. Данный метод удобен тем, что в документации на электронные компоненты обычно указывают дан- ные по тепловым свойствам как раз для такой модели, а именно: тепло- вые сопротивления «источник – пла- та» (R θ JB ) и «источник – корпус» или «источник – окружающая среда» (R θ JC или R θ JA ). Стоит отдельно упомянуть одну особенность, связанную с указа- нием сопротивлений для компонен- тов, охлаждаемых через платы. Фак- тически, охлаждение таких компонен- тов идёт через корпус на плату, поэтому сопротивление «источник – корпус» (R θ JC ) стоит трактовать как сопротив- ление «источник – плата» и в модели задавать его именно так. Сопротивле- ние «источник – окружающая среда» фактически эквивалентно сопротив- лению «источник – корпус» для ком- понентов, охлаждаемых через радиа- тор. В расчётных САПР, как правило, для 2R-моделей задаются сопротивле- ния «источник–корпус» и «источник– плата», и незнание указанной выше осо- бенности может привести к путанице и неверным результатам моделирования. Плата описывается параллелепипедом с соответствующими размерами и ани- зотропнымматериалом со свойствами, рассчитаннымииз усреднения стека сло- ёв реальнойплаты, с поперечной тепло- проводностью0,45Вт/м ⋅ Кипродольной теплопроводностью131,5Вт/м ⋅ К. Метал- лизация по слоям задаётся в 90%. Стек платы показан на рисунке 2. Максимальная температура компо- нента составила +60°С. Температурное поле на поверхности модели показано на рисунке 3. Далее требуется оценить влияние топологии печатной платы на температуру диода. М ОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В САПР № 2 Сравнимтеперьрезультатымоделиро- вания в САПР № 1 с результатами моде- лирования в САПР№2, где учитывается детализированная структура печатной платы. Модель компонента в САПР № 2 задаётся в виде 2R-моделис соответству- ющими тепловыми сопротивлениями. Печатнаяплатамоделируется детально, с учётомструктурыслоёв (cтекплатыпока- заннарисунке 2), разводкитрасс внутри слоёвипереходныхотверстий. Нарисун- ке4показанверхнийслойпечатнойпла- ты. Как видно из рисунка, электронный модульобладает тройнымдублировани- емканалапитания, иводинмомент вре- менифункционирует толькоодинканал. В результате моделирования расчёт- ная температуранагрева диода составля- ет +80,5°С. Температурноеполепоказано на рисунке 5. Видно, чторезультатмоде- лирования вСАПР№2отличается вболь- шуюсторонуотрезультатовмоделирова- ния вСАПР№1приблизительнона20°С. Как видно из графика зависимости среднего прямого тока от температу- ры (см. рис. 6), падение тока начина- ется при температуре корпуса около +120…+125°С [3]. Полученная в расчё- 65 61 57 53 49 45 41 37 33 29 25 Температура (твёрдое тело), ° С 80,41 76,83 73,25 69,67 66,09 62,5 58,92 55,34 51,76 48,18 44,6 Температура, ° С