Современная электроника №7/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2019 тах температура не является критиче- ской для диода в заданных условиях экс- плуатации. Однако в реальных изделиях температурный диапазон окружающей среды, как правило, достаточноширок – от –40 до +55°С. При размещении элек- тронного модуля в герметичном кор- пусе охлаждение диода ещё более ухудшится. В таком случае недооценка нагрева на 20…25°С может привести к приближению реальной температуры к эксплуатационному порогу и спрово- цировать перебои в системе питания. В чёмже причина столь большой раз- ницы в расчётах? Обнаружилось, что в модуле токопроводящие слои сфор- мированы не совсем обычно. Полигон питания с верхнего слоя (Top) через переходные отверстия соединяется только с нижним слоем (Bottom) и через разъёмы питания направляется на сле- дующий электронныймодуль в стойке. Распределение температурыпо переход- ному отверстиюпоказано на рисунке 7. По результатам расчёта температура переходного отверстия в верхнем слое равна +75,5°С, а в нижнем слое – +60°С. Такимобразом, разница составляет более 15°С. Следовательно, теплопроводности переходныхотверстийнедостаточно для качественного распределения теплово- гопотока, ипечатнаяплата препятствует качественному охлаждениюдиода. Было принято решение добавить полигоны питания на внутренних слоях и уплотнить шаблон переходных отвер- стий под площадкой диода. На рисунках 8 и 9 показан один из внутренних сло- ёв платы до и после оптимизации соот- ветственно. В результате оптимизации расчётная температура диода снизилась до +63°С. Температурное поле показано на рисунке 10. По результатам расчётов температура переходного отверстия в верхнем слое оказалась равной +60°С, а в нижнем – +56°С, разница между ними составила всего 4°С. Распределение тем- пературы по переходному отверстию показано на рисунке 11. Расчётные тем- пературы представлены в таблице. В ЫВОДЫ Учёт реальной топологии печатной платы при моделировании теплового состояния радиоэлектронной аппара- туры позволяет устранить неопреде- лённость, возникающую при исполь- зовании анизотропного материала, а также выбирать направление опти- мизации более осмысленно. Допустимая температура корпуса, ° С 150 140 130 120 110 100 Средний прямой ток, А Постоянный ток Квадратная волна (D = 0,50) 5 10 15 20 25 30 Рис. 6. Допустимая температура корпуса диода в зависимости от прямого тока Рис. 7. Распределение температуры по переходному отверстию (Cadence Sigrity) Рис. 11. Распределение температуры по переходному отверстию после оптимизации (Cadence Sigrity) Рис. 8. Внутренний слой печатной платы до оптимизации Рис. 9. Внутренний слой печатной платы после оптимизации Рис. 10. Температурное поле на поверхности платы и диоде после оптимизации Дополнительно стоит отметить, что такое моделирование позволяет рас- считать тепловое состояние электрон- ного модуля с учётом разогрева от про- текающих токов и оценить влияние температуры на физические харак- теристики меди. Это, в свою очередь, повлияет на уровень падения напряже- ний и плотности токов. Данный эффект при моделировании был сознательно отключён, так как САПР № 1 не позво- ляет его учитывать. Понимание границ применимо- сти средств моделирования повыша- ет вероятность получения результата, коррелирующего с реальными испы- таниями, обеспечивает нахождение оптимального технического решения с минимальными временными затра- тами и улучшает технико-экономиче- ские характеристики изделия. Л ИТЕРАТУРА 1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. 2. Решетников А., Мичурин В. Особенности применения детализированных тепловых моделей для тепловых расчётов микро- схем в корпусах BGA, LGA и PGA. Совре- менная электроника. №5, 2019. С. 44–47. 3. Vishay Semiconductors, High Performance Schottky Rectifier, 2 x 20 A. URL: https:// w w w . v i s h a y . c o m / d o c s / 9 4 9 6 3 / vs-42ctq030shm3.pdf 75,28 73,05 70,82 68,58 66,35 64,12 61,88 59,65 57,42 55,18 52,95 Температура, ° С 63,15 60,84 58,53 56,21 53,9 51,58 49,27 46,96 44,64 42,33 40,02 Температура, ° С 60,57 59,33 58,09 56,86 55,62 54,38 53,15 51,91 50,67 49,44 48,2 Температура, ° С Расчётные температуры Элемент САПР № 1 ( ° С) САПР № 2 ( ° С) До оптимизации После оптимизации Диод 60 80,5 63 Переходное отверстие Верхний слой – 75,5 60 Нижний слой – 60 56