Современная электроника №7/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 49 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2020 ническую модель связанных физиче- ских явлений, относящихся, например, к теплопередаче, механике конструк- ций и акустике. Могут быть исследова- ны следующие устройства и эффекты: конденсаторы, катушки индуктивно- сти, датчики, трансформаторы, генера- торы и другие компоненты печатной платы, антенны, электрические цепи, паразитные ёмкости и индуктивности, диэлектрическое напряжение, электро- магнитные помехи/электромагнитная совместимость, контактное электри- ческое сопротивление, функциональ- ная надёжность радиоэлектронных средств. На рисунке 1 показан интерфейс программы COMSOL Multiphysics, который состоит из ленты инстру- ментов (верхняя панель окна про- граммы), окна настроек Settings, дерева модели Model Builder и гра- фического окна Graphics, в котором отображаются результаты анализа в виде графиков, траекторий распро- странения или картины распреде- ления исследуемых параметров на поверхности модели. В задачах исследования работы элек- тронных устройств средства COMSOL обеспечивают: ● быстрое и точное представление рас- пределения тепла на печатной пла- те, скорости и траекторий воздушно- го потока внутри корпуса устройства как по всей распределённой электро- сети, так и в отдельных областях пла- ты; ● имитацию и анализ основных меха- низмов теплопередачи, в том числе конвекции, теплопроводности и из- лучения; ● создание профилей температуры, цветовой карты превышения темпе- ратуры, а также отображение мест пе- регрева платы; ● быстрый и эффективный поиск на печатной плате мест перегрева, под- бор решения по их устранению; ● исследование распределения элек- трического тока, физических яв- лений распространения электро- магнитных волн, радиочастотных помех, теплового расширения, ви- брации, вызывающей деформацию и механические напряжения в кон- структивных элементах электронно- го изделия. Если COMSOL-модель включает в себя несколько связанных между собой при- кладных режимов (физических интер- фейсов), то такая модель называется мультифизической. Система COMSOL Multiphysics самостоятельно строит систему связанных дифференциаль- ных уравнений, исходя из требуемых режимов. В качестве примера можно привести изменение удельного элек- трического сопротивления при изме- нении температуры. При этом темпера- тура изменяется вследствие выделения тепла проводником, по которому про- текает электрический ток. В этом случае совместное решение тепловой и элек- тромагнитной задач является связан- ной мультифизикой. Весь процесс решения задачи в систе- ме COMSOL Multiphysics можно разде- лить на несколько этапов: 1. определение физического интер- фейса и типа задачи; 2. выбор типа исследования; 3. определение глобальных параме- тров модели; 4. определение геометрии модели, её параметров, материалов элементов модели, параметров физических ин- терфейсов и мультифизических свя- зей; 5. настройка параметров расчётной сетки; 6. расчёт задачи; 7. визуализация и анализ результатов расчёта. После проведения анализа и выявле- ния проблемных областей разработ- чик на основе возможных решений может внести необходимые измене- ния в конструкцию устройства и/или проект платы и снова запустить анализ для дополнительного моделирования и определения результативности при- нятых решений. Создание проекта Рассмотрим мультифизическое моде- лирование в COMSOL Multiphysics на примере исследования размещённо- го на печатной плате радиокомпонен- та (силового транзистора). В процес- се моделирования выполним расчёт нагрева транзистора, причиной кото- рого может быть температура окружа- ющей среды, внешние источники тепла (например, близко размещённые нагре- тые детали), токи, протекающие через транзистор. При прямом прохожде- нии тока через проводник наблюда- ется джоулев нагрев, который необ- ходимо учитывать в конструкции, так как температурные колебания могут изменять проводимость материала, а тепловое напряжение часто приводит к деформации. Появление на печатной плате обла- стей локального перегрева приводит к заметному изменению электрических параметров одного или нескольких эле- ментов, что, в свою очередь, снижает работоспособность всей схемы. При повышенных температурах не толь- ко ухудшаются электрические пара- метры, но и ускоряется протекание нежелательных физико-химических процессов в материалах и конструк- циях компонентов, что значительно повышает вероятность сбоя в рабо- те электронного устройства и может привести в конечном итоге к выхо- ду схемы из строя. Явление джоулева нагрева описывается законами сохра- нения электрического заряда и энер- гии. После решения уравнений по этим двум законам мы получим параметры температуры и электрического поля, а также определим деформацию, вызван- ную тепловым расширением. Создание проекта в COMSOL Multiphysics предусматривает при- менение мастера, запуск которого выполняют из стартового окна про- граммы нажатием пиктограммыModel Wizard. Мастер проекта предусматрива- ет последовательный выбор: ● размерности пространства для ком- понентов исследуемой модели (ок- но Select Space Dimension). В нашем примере – это трёхмерное простран- ство (3D); ● физического интерфейса (окно Select Physics). В рассматриваемом примере для решения задачи ис- следования физических процессов (распределения электрического тока и связанного нагрева, а так- же вызванной тепловым расши- рением деформации) понадобят- ся следующие интерфейсы: Electric Currents (Электрические токи) и Heat Transfer in Solids (Теплопереда- ча в твёрдых телах), которые добав- ляют выбором пункта Heat Transfer/ Electromagnetic Heating (Теплопере- дача/Электромагнитный нагрев) и типа задачи – Joule Heating (Джоу- лев нагрев) – в списке в окне Select Physics (см. рис. 2а). Подтверждают выбор нажатием кнопки Add, после чего в поле Added physics interfaces отобразятся добавленные физи- ческие интерфейсы, а также муль- тифизические связи, доступные в группе Multiphysics: Electromagnetic Heating (Электромагнитный нагрев). Переход к следующему шагу мастера выполняют нажатием кнопки Study;