Kompaktes thermisches Modell

Der Materialtyp "Kompaktes thermisches Modell" ermöglicht die Simulation von integrierten Schaltkreisen mithilfe eines kompakten thermischen Modells mit zwei Widerständen. Kompakte Modelle bieten eine geometrisch einfache Möglichkeit zum Simulieren der Leistung von elektronischen Komponenten mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerks.

Diese Modellierungsmethode nutzt sehr einfache Geometrie zur Darstellung eines sehr komplexen Bauteils. Eine gründlichere Methode, die häufig als "detailliertes Modell" bezeichnet wird, berücksichtigt die gesamte Geometrie des Bauteils. Detaillierte Modelle bieten in der Regel die höchste Präzision, erfordern aber aufgrund ihrer Komplexität ein umfassendes Netz und somit lange Analysedauern.

Die folgenden Chipkonfigurationen werden von diesem Modellierungstyp unterstützt:

Beachten Sie, dass vertikale Chips wie der TO200 von diesem Modell nicht unterstützt werden. Es wird empfohlen, solche Chips anhand eines detaillierten Modells zu modellieren.

Das typische kompakte thermische Modell mit zwei Widerständen besteht aus lediglich drei Knoten: der Trennebene, dem Gehäuse und der Leiterplatte. Die Trennebene wird auch als Form oder Chip bezeichnet. Das Gehäuse ist die Oberseite des Pakets. Auf ihm kann ein Kühlkörper montiert werden. Der Leiterplattenknoten ist eine einzelne Kontaktstelle zwischen der Leiterplatte und dem Paket. Die Knoten sind durch einen thermischen Widerstand zwischen dem Gehäuse und der Trennebene (Theta JC) und einen Widerstand zwischen der Trennebene und der Leiterplatte (Theta JB) verbunden. Im Folgenden ist das Widerstandsnetzwerk abgebildet:

Im kompakten Modell mit zwei Widerständen wird die Wärmeübertragung nur an den drei Knoten berechnet (Gehäuse, Trennebene und Leiterplatte). Die Seiten eines kompakten Modells mit zwei Widerständen gelten als adiabatisch. Die Wärmeübertragung an die Umgebung ist nur über die Seiten des Gehäuses und der Leiterplatten möglich. Die Gehäuse- und Leiterplattenseiten am Bauteil sind isothermisch und werden mit hoher Leitfähigkeit in Ebenenrichtung modelliert.

Beachten Sie, dass das kompakte Modell mit zwei Widerständen eine vereinfachte Darstellung eines tatsächlichen Bauteils ist. In der Literatur wird darauf hingewiesen, dass es eine typische Präzision von ca. 10-30 % aufweist. Dieses Modell ist zwar eine Vereinfachung, die jedoch für viele Wenn-dann-Analysen auf Designebene akzeptabel ist.

Die Ergebnisgrößen der Analyse eines kompakten Modells mit zwei Widerständen geben die Temperaturen an der Leiterplatte, an der Trennebene und am Gehäuse an. Darüber hinaus wird der Wärmestrom zum Gehäuse und zur Leiterplatte angegeben.

Im Gegensatz zu einem detaillierten Komponentenmodell wird das kompakte Modell mit zwei Widerständen wie ein einfacher Würfel modelliert. Das Bauteil muss ein Leiterplattenteil berühren, und es kann ein Kühlkörper an der Gehäuseseite der Komponenten angebracht sein.

In diesem Beispiel befindet sich der Chip direkt auf der Leiterplatte:

Die Wärmebelastung auf einem kompakten Modell mit zwei Widerständen wird normalerweise als Randbedingung für die Gesamtwärmeerzeugung angewendet. Beachten Sie, dass zwar eine transiente Wärmeerzeugungsbedingung angewendet werden kann, da jedoch die spezifische Wärme und die Dichte der Komponente nicht in die Materialdefinition eingehen, wird keine zeitlich präzise Lösung verfügbar sein.

Da die Berechnung der Wärmeübertragung nur an den drei Knoten des Netzwerks durchgeführt wird, erstellt das Bauteil kein Netz mit finiten Elementen. Die Außenflächen werden zur Herstellung der Konnektivität zwischen dem Bauteil mit zwei Widerständen und der Umgebungsgeometrie vernetzt.

Modellierungsrichtlinien

CTM-Materialien müssen ein Teil berühren, dem ein Fluidmaterial zugewiesen ist. Autodesk Simulation CFD unterstützt keine CTM-Module, die vollständig in einen Volumenkörper eingebettet sind.

Ein CTM darf nur ein Leiterplattenmaterial berühren (oder einen Volumenkörper mit "PCB" im Namen). In einer typischen Situation befindet sich das CTM zwischen zwei Leiterplattenmaterialien. In einer anderen befindet sich das CTM zu beiden Seiten zweier angrenzender Leiterplattenmaterialien. Keine dieser Konfigurationen wird unterstützt. Das CTM muss und darf nur eine einzelne Leiterplatte berühren.

Eine Möglichkeit zur Behebung dieses Problems besteht in der Änderung der Modellkonfiguration im ursprünglichen CAD-Werkzeug. Verschieben Sie das CTM, so dass es nur ein einzelnes Leiterplattenteil berührt. Ein anderer Ansatz ist die Änderung der Materialdefinition eines der beiden Leiterplattenteile innerhalb von Autodesk Simulation CFD. Ändern Sie entweder die Definition eines der Teile in einen Festkörper, oder weisen Sie ein anderes Festkörpermaterial ohne "PCB" im Namen zu.

Ein CTM darf kein unterdrücktes Leiterplattenmaterial berühren. Ein unterdrücktes Teil darf die Leiterplatten- oder Gehäuseflächen des CTM nicht berühren.

Überprüfen Sie den Zweig "Material" (auf der Designstudienleiste), um sicherzustellen, dass das Leiterplattenteil nicht unterdrückt ist. Der Name eines unterdrückten Teils ist durchgestrichen. Um die Unterdrückung eines Teils aufzuheben, klicken Sie mit der rechten Maustaste darauf, und klicken Sie dann auf "Zurückholen". Beachten Sie, dass das Netz neu definiert werden muss.

Datenextraktion und Visualisierung

Zu Visualisierungszwecken wird die Komponente in zwei Bereiche unterteilt: die Sperrschicht und das Gehäuse. Jeder Bereich der Komponente weist eine eigene Temperatur auf, die von den Widerstandswerten sowie den Umgebungsbedingungen abhängt. Ein einzelnes rechteckiges Element umfasst jede Schicht (siehe Abbildung):

Für jede Komponente mit zwei Widerständen sind die folgenden Daten verfügbar:

Die Ergebnisse werden anhand der folgenden Methoden angezeigt:

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