【分享】Simcenter Flotherm在电子产品热电联合仿真的应用


来源:Mentor机械分析          2021/6/21 14:58:04


Simcenter Flotherm在电子产品热电联合仿真的应用


1.前言


    随着电子产品小型化、集成化和功能多样化发展 ,各种IC芯片和功率器件功率密度越来越大,其温度与功耗相互影响。为得到芯片准确热耗,电子工程师需要知道芯片准确节温;为得到准确节温,热设计工程师需要知道准确热耗;因此准确预测芯片在工作过程中温度,确保电子产品在稳态或瞬态状态下的热可靠性以及其电学功能,电路分析与热分析必须一体化、同时进行,西门子Simcenter Flotherm的BCI-ROM技术为电子产品热电联合仿真提供接口与桥梁(如图1所示)。


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图1 电路与热联合仿真示意


2. Simcenter Flotherm BCI-ROM技术


    传统电子产品热的Spice模型非常简单,只能用在单一热环境,单一热源和稳态热分析。利用西门子Simcenter Flotherm BCI-ROM 技术建立对电路仿真的热模型具备如下优点(参考图1实际案例比对结果):


  • 独立于热环境(适应各种热环境:自然对流和强迫对流;环境温度变化;包含热辐射等)

  • 多个热源同时计算


  • 可进行瞬态计算


  • 计算精度高

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图2 多热源IGBT瞬态热分析:Simcenter Flotherm 分析与BCI-ROM数学矩阵计算结果比


    西门子Simcenter Flotherm 2020.2根据IEEE标准,可生成1076.1的VHDL-AMS模型,进而可进行系统逻辑电路热电分析(如图3所示):


  • 一维系统电路仿真,根据FET(场效晶体管)开关频率、占空比、饱和压降、饱和电阻、PN节温度等参数计算出FET的发热功率,并在系统热电联合仿真中实时传递给Simcenter Flotherm BCI-ROM技术生产的热模型;


  • BCI-ROM模型MOSFET-QFN基于热耗、模型材料参数以及结构尺寸、环境温度、对流换热系数等热学参数准确计算出PN节(Tj)温度;


  • Tj温度返回给FET电路模型,重新计算FET热功耗;如此反复,对偶热电联合实时仿真得以实现。


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图3 Simcenter Flotherm BCI-ROM 在系统电路热电联合仿真:FET热功率与温度联合对偶分析


3.各电子部件厂家热电联合仿真协同


    电路设计过程中,各个厂家的电子器件电路仿真模型都可以保存为spice或者VHDL-AMS格式,从而电路仿真模型可在不同电路仿真工具中使用。基于IEEE标准,Simcenter Flotherm的BCI-ROM技术可生成各电子器件的VHDL-AMS模型;任何电路仿真工具,只要支持VHDL-AMS模型读入,就可建立各电子部件通用热模型,导入电路仿真工具中,快速建立电路系统仿真模型,进行热电联合仿真协同。


    如图4所示:一个半导体器件厂家可建立电学spice模型和热学BCI-ROMs模型支持它的客户做热电联合仿真;某PCBA厂家可基于半导体供应商(如QFN产品)热电模型与PCBA的BCI-ROM模型组合,建立系统功能电路,从而仿真分析PCBA在不同应用环境下的热电性能。


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图4 不同厂家电子部件热电联合仿真协同


    早期不同厂家产品之间热电联合仿真的协同,不仅让电子工程师准确预测电路功能,而且让热设计工程师得到准确工作热耗,准确设计电子产品热管理系统以及热控制策略。


总结


    利用西门子Simcenter Flotherm BCI-ROM技术进行电子产品热电联合仿真,针对不同电子产品,客户可以准确预测产品电学功能以及确保产品热可靠性。


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图5准确热电联合仿真(spice)模型


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