Come ottenere dati corretti per le simulazioni termiche
Argomenti chiave
- Come ottenere i dati di input per le simulazioni termiche.
- Quali misure acquisire nella progettazione.
- Come si utilizzano i dati per impostare una simulazione termica.
Immagina di avere un sistema che si surriscalda più del dovuto e di dover valutare le opzioni di raffreddamento, come ventole o raffreddamento a liquido. Durante la simulazione è possibile valutare qualsiasi tipo di raffreddamento, ma come ci si assicura che questo rifletta accuratamente la realtà, definendo le sorgenti e le condizioni al contorno nel modello di simulazione?
Per ottenere i dati corretti per le simulazioni termiche, è necessario identificare le principali fonti di calore nel sistema. Questo significa che è necessario effettuare delle misurazioni con un prototipo, in modo da poter inserire i dati corretti nel modello di simulazione. Quando si tratta di sistemi elettronici, per capire da dove proviene il calore, di solito ci si affida a metodi come le termocoppie o le telecamere a infrarossi.
Dopo aver individuato i fattori chiave, si può iniziare a simulare il sistema, assicurandosi di utilizzare correttamente i dati di misurazione. In questo articolo analizzeremo quali misure è necessario acquisire durante la fase di progettazione e come utilizzarle per impostare la simulazione termica.
Leggi l’articolo per scoprire di più!
Misurazioni termiche
Tutto comincia con l’acquisire le giuste misurazioni e definire lo scenario che si vuole ricreare nella simulazione.
Nelle simulazioni termiche, l’obiettivo è quello di elaborare i dati e capire come la temperatura è distribuita tra le varie fonti di calore all’interno del sistema. Inoltre, è importante determinare il tempo necessario affinché si verifichino le variazioni quando il sistema viene influenzato, ad esempio, dall’introduzione di un flusso d’aria.
Con una simulazione iniziale della distribuzione termica, si ottiene una base solida da cui partire per valutare modifiche progettuali, come l’aggiunta di una ventola nel sistema.
Definire i requisiti
Prima di iniziare con le misurazioni della temperatura, è essenziale comprendere bene gli elementi in esame. Puoi pensare a questo processo come l’allestimento del palcoscenico di uno spettacolo teatrale: prima che gli attori entrino in scena, è necessario conoscere l’ambientazione, gli oggetti di scena e la trama. Ecco alcune decisioni chiave che dovresti prendere per il tuo test case:
- Quanta potenza consumano i componenti cruciali?
- Sono inclusi i thermal pad o i dissipatori di calore?
- Una volta apportate le modifiche, è possibile riprodurre in modo affidabile le misurazioni?
Questi passaggi possono sembrare scontati, ma sono essenziali per l’impostazione dei test case termici di un prodotto. In genere si analizzano due scenari principali: condizioni operative standard e condizioni operative di stress. Le condizioni standard riflettono l’uso quotidiano del prodotto, mentre le condizioni di stress lo spingono al limite, mettendone alla prova i suoi limiti e la suscettibilità ai guasti.
Dove effettuare le misurazioni
Quando si misurano le temperature all’interno di un sistema, è essenziale concentrarsi su alcune aree critiche per ottenere un quadro completo di come il calore è distribuito all’interno del prodotto. Ecco le modalità principali con cui è possibile acquisire le misurazioni di temperatura:
- Misurazioni puntuali con termocoppie: sono come i bisturi di precisione per la misurazione della temperatura. Forniscono letture in un punto specifico del sistema, consentendo di ottenere informazioni dettagliate.
- Misurazioni puntuali con un sensore termico a infrarossi: puoi considerarle come fotocamere “punta e scatta” per la temperatura. Forniscono letture istantanee in un punto specifico, ma, come le termocamere, richiedono che il contenitore sia completamente aperto per ottenere letture dal PCB.
- Misurazioni dell’intero sistema con una termocamera: le termocamere catturano la distribuzione della temperatura nell’intero sistema, fornendo un’istantanea completa di ciò che sta accadendo.
Sebbene i sensori a infrarossi e le termocamere abbiano i loro vantaggi, le misurazioni puntuali con le termocoppie sono spesso lo standard di riferimento, in quanto possono essere collegate direttamente a un package IC all’interno di un contenitore chiuso, fornendo letture di temperatura precise senza la necessità di esporre il sistema.
Quando si utilizza un gruppo di termocoppie, è opportuno effettuare le misurazioni direttamente su tutti i package IC caldi, poiché questi sono i principali generatori di calore all’interno del sistema.
Non dimenticare di considerare lo spazio vuoto: anche l’aria gioca un ruolo importante per la temperatura. Effettua una lettura della temperatura dell’aria stagnante all’interno del contenitore. Potrebbe sembrare irrilevante, ma è fondamentale per valutare il modello di simulazione.
Infine, posiziona una termocoppia sulla superficie del contenitore o misura la temperatura del contenitore con una termocamera.
Non è necessaria alcuna apparecchiatura ad alta tecnologia. Queste misurazioni dirette possono essere eseguite con un’unità DAQ standard, come l’unità Measurement Computing mostrata di seguito.
Una volta installate le termocoppie, è essenziale monitorare il comportamento del progetto nel tempo per osservare il suo avvicinamento al regime termico. Una volta che il sistema raggiunge la temperatura di equilibrio, il sistema DAQ registrerà continuamente le misurazioni in ciascun punto designato del sistema.
In alcune situazioni, l’ottenimento di tutte queste misure può rappresentare una sfida, in particolare quando si tratta di contenitori dal profilo basso e privi di punti di accesso aperti per le termocoppie. In questi casi, potrebbe essere necessario estrarre il PCB dal contenitore originale e collocarlo in uno leggermente più grande così da ospitare le termocoppie. In alternativa, l’utilizzo di una termocamera per l’imaging diretto, può evitare la necessità di effettuare misurazioni puntuali con le termocoppie, fornendo letture della temperatura superficiale direttamente dai componenti principali che producono calore.
Ricreare le misurazioni nella simulazione
Prima di analizzare le modifiche al progetto in una simulazione, è fondamentale utilizzare i dati esistenti per replicare le misurazioni correnti nell’ambiente di simulazione. Questa serve come fase di convalida per il modello di simulazione, con il test case fisico che funge da punto di riferimento per confrontare i risultati della simulazione.
Le simulazioni termiche richiedono la risoluzione dell’equazione del calore all’interno di un sistema chiuso, il che a sua volta richiede la conoscenza della conduttività termica in vari punti del sistema. Sebbene i package dei circuiti integrati non forniscano in genere questi dati, è possibile ricavarli nel datasheet dal valore della resistenza termica del package e dalle misurazioni dirette della temperatura durante il funzionamento.
La distribuzione della temperatura in regime stazionario all’interno del prodotto può essere prevista tramite una simulazione termica che si basa su un valore della sorgente di calore (S). L’immagine qui sotto mostra gli input necessari per la simulazione termica di un package di un circuito integrato, al fine di calcolare il flusso di calore proveniente dalla sorgente (S):
Il valore di T(ambient) è utilizzato come punto di partenza per l’aria stagnante all’interno del contenitore. L’altro valore di temperatura (T), può essere considerato come un dato statico per definire una fonte di calore nella simulazione. Per semplificare le cose, è sufficiente impostare T uguale alla misurazione della temperatura del package in condizioni di equilibrio.
Una volta determinata la conduttività termica del package (k) e la temperatura statica del package (T), sei pronto a configurare una simulazione termica transitoria con i seguenti parametri:
- Condizioni iniziali:
– T(ambient) nota, può variare
– La temperatura del contenitore (può essere impostata a T(ambient)) - Condizioni al contorno:
– T nota dalla misurazione, impostata come valore statico
– Temperatura esterna al contenitore (tipicamente temperatura ambiente).
In alternativa, è possibile impostare una simulazione termica in regime stazionario utilizzando T(ambient) come temperatura dell’aria stagnante e la temperatura del contenitore registrata durante l’equilibrio termico. Queste simulazioni sono più rapide e forniscono una solida validazione del tuo modello di simulazione del sistema.
Modificare il sistema e ripetere la simulazione
Una volta terminata la simulazione e raccolti i dati di riferimento, è il momento di applicare le modifiche proposte e rivedere il sistema. Questa fase può essere accompagnata da nuove misurazioni. Tuttavia, questo non è sempre fattibile in ogni situazione. In ogni caso, le simulazioni offrono il modo più rapido per iniziare a valutare le modifiche progettuali volte a ridurre il carico termico.
Prendiamo, ad esempio, il modello di simulazione qualificato usato per replicare le misurazioni delle termocoppie. È possibile modificare questo modello per introdurre una ventola. Grazie alla “CFD-thermal co-simulation”, è possibile inserire una fonte di flusso d’aria ed eseguire una simulazione transitoria per esaminare l’impatto delle diverse portate di flusso d’aria sulla temperatura di equilibrio durante il funzionamento. Questo approccio consente di individuare rapidamente potenziali problemi che potrebbero non emergere con le sole misurazioni, come ad esempio:
- Punti caldi con aria stagnante
- Aree a basso flusso
- Come la collocazione degli ingressi e degli scarichi influisce sul flusso d’aria
- Come questi aspetti influenzano la temperatura superficiale del contenitore
- Qual è l’entità della diminuzione della temperatura in funzione del flusso d’aria
- Temperatura dell’aria di scarico
Alcuni di questi aspetti possono essere visualizzati direttamente sulla superficie della scheda, come nelle tipiche simulazioni termiche, ma con l’aggiunta di linee di flusso per delineare la distribuzione del flusso d’aria. Anche altre strategie di raffreddamento, come l’impiego di dissipatori di calore, l’applicazione di materiali di interfaccia termica al contenitore o l’impiego di dimensioni maggiori del contenitore, possono essere esaminate in queste simulazioni.
Sebbene il lavoro iniziale di raccolta dei dati termici per la simulazione possa richiedere molto tempo, esso getta le basi per consentire al team di progettazione di esaminare rapidamente le modifiche progettuali riguardanti il controllo e la gestione termica. Questo, a sua volta, riduce la necessità di ulteriori iterazioni di prototipi, risparmiando tempo e denaro. Inoltre, il modello di simulazione rimane adattabile, consentendo affinamenti continui man mano che nuovi prototipi vengono fabbricati per i test. I team di progettazione in crescita possono osservare rapidamente un ritorno sull’investimento aggiungendo questa funzionalità alla loro suite di strumenti di progettazione.
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