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硬件开发

PCB三维热设计模块


适用于高速PCB的三维热设计模块

随着半导体制造技术的不断发展,电子元器件的物理尺寸越来越小,电子组装的密度也随之增加,高热密度的形成呈现出一股不可抗拒的发展趋势。关于恶劣环境对计算机的影响,如何处理好热设计问题,是计算机能否在高温环境下高可靠工作的重要环节,也一直是人们所关注的重点。

由于高温将会对电子元器件的性能产生有害的影响,譬如过高的温度会危及半导体的结点,损伤电路的连接界面,增加导体的阻值和形成机械应力损伤,因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出,是抗恶劣环境计算机实施电子组装热设计的一个重要方面,抗恶劣环境计算机的高可靠性及其性能,在很大程度上取决于是否具有良好的热设计考虑,以及所采取的散热措施是否有效。

面对过热的温度,即使经过高可靠性设计的电子元器件,也可能会出现误操作或者失效现象。如果在电子设备的设计过程中能够认真考虑有关的热设计问题,就可以形成有意识地进行有关热设计的系统布置,并通过采用有效的散热手段,将有关的费用降低至最小的程度。反之,如果热设计工作留待设计工作完成后再进行的话,那么可采用的解决方案可能仅是花费昂贵地在所有可以利用的地方定制散热器。在完全研制开发好了后,再将散热器或者风扇安置入电子设备是件相当伤脑筋的事情,费用太大,而且即便如此,仍然可能无法给元器件提供充分的冷却效果。随着高速印制电路板设计的引入,工程技术面临着热设计方面的严峻挑战。

一、高速PCB面临的热设计问题

随着高速P C B设计的数量不断增加,同时也给在不损失市场份额的前提下,确保布线、信号完整性和热设计要求造成了很大的困难,由于设计不断重复修改将会造成成本的超支。为了能够应付这一现象,美国Cisco Systems公司已经推出了一款可以进行温度预测的产品,它能够极大的改善电路设计师和机械设计师之间的共同的设计协调问题。设计师们开始可以通过P C B设计软件进行相关信息的交流,这样就有助于热分析工作的开展。一个三维的计算机流体动力学解决方案可以对电路板两侧的气流情况和温度作出预测。于是电子设备中的冷却管理就可以在设计工作开始的最早阶段就进行考虑。通过热分析可以进行布置更新,并将结果反馈到P C B设计中去,通过两个方面的相互连接,可以使组装布局和热设计工作同时进行。

对于每一个后续的新一代Cisco产品,无论在功能方面还是在速度方面都增加了对热设计的挑战。在近几年内,一般常规的P C B上面的功率耗散从600W增加到2000W,这样就使得热设计工作从相对较次要的问题变成关乎设计以及可靠性的主要问题了。事实上,在一块P C B上面6 0 0 W的热耗散状态下面,不仅可能会影响到平均无故障工作时间(M e a n T i m e B e t w e e n F a i l u r e,简称M T B F),而且对芯片的整个功能的正常发挥也会产生影响。

二、热设计软件的引入

采用传统的方法来验证一块新设计PCB的热性能,可能需要对相关的手册进行大量的手工查阅。硬件结构设计师一般可以采用Visio软件进行平面方块图解分析研究。各种各样的空白表格程序(Spreadsheets)文件用来生成材料清单和电路板的层叠。材料清单可以作为计算功率耗散的空白表格的起始点。所有这些信息可以采用不同的软件来进行计算,并且可用不同的文件格式进行存贮。当这些信息被进行修正的时候,没有记录保存先前的版本,也没有关于更改记录的原因。硬件结构设计师可以提供这些信息给热设计工程师,让他们将这些信息输入到热分析软件中,模拟P C B的状态情况。

这个方法的最大问题是要求花费大量的时间来建立热分析模型。它可能需要花上大约五天的时间来形成首次可以认可的结果,这期间绝大多数的时间用在手工输入数据,并将其反馈给硬件结构设计师,以及从电路设计师处获取遗漏的信息上。其实,热设计工程师必须重复许多硬件结构设计师的工作,将相关的信息转换为不同的形式以满足分析的需求。需要重新输入信息这一行为会造成潜在的错误现象产生,不是出现简单的数据错误,就是造成对硬件设计信息的误解。就其它方面来说,由于时间的限制,人们不可能对所有的设计细节都知晓,这样的话有时就会产生不够准确的现象产生。而且,当初始的热设计模型被建立起来了以后,电路板的设计也会常常发生变更,这样经过一段时间以后也会导致热设计模型被推翻。不管怎样,在设计的过程中P C B的设计可能会经历多次的更改,这样就需要重新对热设计模型进行变更。这样的变更可能要花费三天到五天的时间,这主要取决于它们的变更程度。

由于产品的推出周期是持续不断的,所以减少热设计工作的难度很大,传统的方法显得效率非常低。改善这一现象的关键在于从硬件结构设计师到热设计工程师的信息流能够实现自动化,他们可以从提供改善这一现象的软件工具中寻找到解决的方法。这个工具的名称叫FloPCB,由Cisco公司提供的综合了P C B设计的软件,它提升了一种新型的设计流程,可以在电路和机械设计的过程中进行无缝的信息转换,该工具能够适用于电路和机械设计师,在热设计阶段,可以提供一个单一的平台用于信息的交流。这就意味着数据仅需要输入一次,它就能够被贯通于整个设计过程中。

在新的设计流程中,硬件结构设计师将方块图输入到新的工具之中。该工具可以具体说明各种各样模块之间的联接关系,通过布局的工具,它们可以得以进入。于是硬件设计工程师们能够从方块图中直接得到最早的物理布局。每个元器件的材料清单和功率损耗值也可以在这个点上输入到工具中去。该模型的创立可以在很早的时候就采用三维的形式,这样就不需要热设计工程师将它再转换为三维的形式(如图1所示)。

机械设计师能够在设计过程的早期阶段,在详细的布局工作开展以前,进行一个简单的热分析,利用电路板级的设计来对新的电路板设计在现有系统中的情况进行一个评估。三维计算机流体动力学解决方案可以预示在电路板的两个表面上的气流和温度的分布情况,通常在设计中将会指出发热点,正如图2和图3中所显示的那样。在设计的早期阶段,在第一块电路板布线开始以前,能够对这些情况进行识别,就可以在花费较少成本的情况下,正确地解决掉所存在的冷却问题。在原理框图阶段作变更,可以马上反映到物理布局上和热量的表现上来,这样就有助于电路设计人员和热设计团队同步开展工作,促成他们拥有共同的设计思路。

在PCB布局完成之后,需要建立起更为详细的热设计模型。设计师们可以利用设计软件上的菜单选项来进行简单的操作,在FloPCB软件界面上进行快速的PCB编辑,将PCB设计的详细信息转换入热设计工具之中。相关的设计信息可供热设计模块进行更新,这样就可以实现非常高水准地模拟热管理操作,与单独的使用分布图来表示信息要精确的多。有关信息的转换包括金属层的数量、每层的类型,例如:信号层、电源层或者接地层,在电路板上面所覆盖的铜、每个元器件的位置和功耗情况。该界面也允许选用适当的层来作为封装器件的物理扩展来使用。在热设计阶段进行贴装的更新能够通过设计软件来进行,可以提供指向性的连接,以满足与贴装和热设计的同步协调。

三、实现设备级的模拟

在设计流程开始的早期阶段,热设计工程师一般会模拟电路板在简化条件状态下面的性能情况,例如,在每块电路板侧面的连续不断流动的气流情况。这些条件状态对于基础工作来说是非常有益的,例如,它可以识别出发热点。随着设计流程的向前推进,热设计工程师们将会看到电路板在更多的实际条件状态限制下面,热性能会发生什么样的变化。为了能够实现一切,他们通常会采用电路板的热设计模块,并将其引入到设备级模型之中。首先,实际的设备模型工程师们很可能无法获取,所以工程师们一般来说所采用的设备级模型会利用早先产品中所建立的,以形成与现有设计产品相仿的模型。

设备级模型一般来说将会产生热性能参数,其中包括结点到周围环境中的热阻、结点到电路板上面的热阻,以及结点到机壳的热阻,与此同时也可以获取在组件内各种各样条件状态下面的温度曲线分布。随后,在机箱和其它机械部件设计好了以后,重新采用实际电路板的设备级模块将可以创建出来了。来自于设备级分析的结果也能够被用于进行电路板的模拟,并用作边界条件。这样就可以进行很快速的电路板重复设计,这比每次要等整个设备的热性能完成以后再重复设计要快得多(如图4所示)。

与用于设备级热分析相同的模型也能够被用于解决电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,简称E M C)问题,这样就可以比以往提早了很多时间。至今,C i s c o还没有评估这项应用。热设计模型可以用于机箱设计中的EMC仿真,评估它的屏蔽有效性和识别来自EMC观点看敏感区域的情况。因为热设计工作常常会与EMC设计发生冲突,为了进行热设计所采用的装置,常常对EMC问题造成进一步恶化或产生有关的问题。

一个例子就是热设计要求具有较大的孔洞,这样就可以让适量的空气进行流动,与此同时,对E M C设计而言,需要采用较小的孔洞,这样可以减少散发和泄漏。如果孔洞的直径有一个或者更多等于或者大于磁场的波长的话,它将会造成电磁场在机箱中的重大输入和输出。为了能够有效的解决在一个单一环境之中所涉及到的热管理和E M C问题,可能会使机械设计师在处理这两个学科方面的要求之间进行很困难的折衷设计选择。

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