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PCB设想的优化

宣布时候:2015-08-15 08:12:40 分类:资料中间

 为了知足日趋增添的PCB设想请求,不少设想工程师感应压力颇重。每类新的设想都伴跟着机能和靠得住性方面的生效危险。设想进程中大的题目是若安在散热计划和旌旗灯号完全性中停止弃取。毗连元件的高速时钟速率须要慎密的靠近,以便确保不呈现旌旗灯号衰减。可是这类元件仍是没法防止的有良多耗散热,是以它们之间应尽能够的阔别,从而有助于下降它们的温度。


本文描写了若何利用热仿真对PCB板散热机能停止优化设想。这一PCB板是经由过程楔形装配舒展在机箱内,并且对机箱外部的散热器翅片停止逼迫风冷。在一些卑劣的情况前提下,按照局部情况氛围温度并且以导热为首要散热体例,若何实现一般的元件结温成了一大困难。 

初立体安排计划

图1显现了初的立体安排。外部遭到逼迫风冷的机箱能够使PCB楔形舒展装配处取得35 ºC的温度。局部氛围温度为75 ºC。虽然一切的元件都有热耗散,可是微处置器和内存是全部PCB板上热耗散的首要构成局部。

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图1 初始立体安排和首要元件及楔形舒展装配

设想方针和限定

有良多种方式能够停止规划的热设想,可是它们都顺从一个准绳,那便是若何敏捷、便利的将芯片内的热量通报至室外情况中。在这一例子中,咱们利用Flomerics的Flotherm软件经由过程仿真计较对两种有助于解除热量的改良方式停止数值摹拟。

起首,以差别彼此间间隔将内存和微处置器阔别,这里咱们坚持内存地位稳定。如许做有两方面的益处,一是挪动了处置器的地位,削减了它对内存的热影响。别的,处置器的地位更靠近楔形舒展装配能够取得更低的温度。

其次,对内存和微处置器下部的阵列热过孔的影响停止了计较。图2中对热过孔停止了缩小显现。热过孔有助于热量进入到PCB板的外部金属层,出格是那些几近充满全部PCB板的电源层和地层,在这些层上热量能够敏捷的通报到边缘的楔形舒展装配。若是不这些热过孔的存在,那末在微处置器和楔形舒展装配中存在很大的热阻,这首要是因为PCB板顶部的旌旗灯号层热阻很大。

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图2 内存和微处置器阔别和热过孔阵列

这一类新设想的PCB板接纳GHz的旌旗灯号频次和百亿分之一秒旌旗灯号回升时候来停止任务。因为这类回升时候与波长具备不异的状况,以是关头旌旗灯号的衰减能够大为增添。是以内存和微处置器之间的间隔又应尽能够的短,在这一例子中不应逾越11mm。

微处置器(封装情势为TBGA)的大额外结温是100 ºC。虽然元件供给商供给了一些表征热机能的数据 (比方:芯片结点和情况之间的热阻),可是这些数据仅仅合用于一些特定的场所。对这类既庞杂又存在元件之间彼此热影响的实际设想而言,为靠得住的热设想方式只能是对全部PCB板组件停止3D的数值仿真。 

热仿真

但是,传统的仿真方式只是集合于单一的研讨,仅仅供给一个可行或不可行的论断。优异的数值仿真应当能够研讨设想发生变更以后,会对散热机能发生何种影响。这就有助于设想工程师肯定设想优化的参数,从而实现全部设想方针。

这能够经由过程成立和摹拟一个设想尝试(DoE)来实现。利用这一方式起首须要肯定设想变量。在这一例子中,这些变量是内存和微处置器之间的间隔和这些元件下方热过孔的阵列密度。以一切20个仿真计划为根本,将这两个变更参数的差别组合和呼应微处置器的大结温天生一张3D图。 

图3显现了两个极度的DoE设想计划,计划1是元件下不热过孔和微处置器和内存很是靠近,计划2是四个元件下均有浓密的热过孔和微处置器地位很是靠近楔形舒展装配。

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图3 差和优的计划设想成果

呼应面

20个仿真计划成果使咱们对这些计划的散热机能有了直观的领会,比方,图3中所显现的优和差计划的结温。但是,能够经由过程利用20个仿真计划成果数据停止 “呼应面”拟合,从而取得更加直观和完全的3D成果图形。这类呼应面拟合是很是进步前辈的曲线拟合。它将两个设想参数的穿插感化对结温(图4)的影响完善的连系起来,给人一种直观、清楚的察看视角。

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图4 结暖和设想参数之间的呼应面

注重:元件下部的热过孔感化经由过程热导率的情势停止量化。0.3 W/mK (FR4热导率)标明元件下部有浓密的热过孔阵列。

图4的呼应面3D图充实标明内存和微处置器之间的间隔越大,则处置器的结温越低。另外,在一个比拟小的规模内热过孔密度对结温的影响很大。若是不斟酌内存和微处置器之间的间隔,在热导率约莫0~3 W/mK规模内,少许的热过孔密度增添就能够取得较着的散热成果。以后再进一步增添元件下热过孔的阵列密度只要少许的获益。

利用图5能够取得一个更加量化的图表。此中显现的变量线只是图4的一局部,以热过孔的阵列密度为变量线。元件之间间隔和大结温的限定,在图中以玄色直线地区所表现。经由过程察看允许设想规模内的呼应曲线,很较着经由过程大化元件下热过孔的数目,能够使全部设想具备必然的余量。

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图5 表征设想限定的呼应面地区

论断

经由过程利用设想尝试(Design of Experiments)功效,实现了大批的数值仿真,以后经由过程仿真成果建立了呼应面3D图,从而对设想目标随设想变量呼应有了一个直观的领会。这有助于疾速地肯定设想中的折中计划,并且能够小化前期因为缺少设想目标与设想变量之间呼应干系所形成的散热危险。

本文所先容的这一例子描写了两个自力变量配合感化对散热机能的影响。实际上,这一仿真方式能够利用就任意数目的设想变量中。举例,正如两个微处置器与楔形舒展装配之间的间隔是变量一样,内存和楔形舒展装配之间的间隔也能够作为设想变量。在实际中,仿真研讨的优化限定规模由设想工程师和计较可用的资本和时候所肯定。

来历:PCB设想的优化

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