从事电源管理及功率器件设计的工程师们应该知道,电子设备系统过热会造成电子元件过快损耗、性能下降、停止工作,甚至引起安全问题。电子设备之间以电磁传导、感应和辐射彼此关联并相互影响,从而对设备和人员造成干扰、影响和危害。此外,电子设备运行中的机械形变、疲劳等会直接影响其使用寿命……因此,我们在做电源管理及功率器件设计时必须对多个物理场进行分析。然而,您还在只通过实验的方法来确定这些设计参数吗?

日前,在《电子技术设计》、《电子工程专辑》和《国际电子商情》共同举办的“电源管理与功率器件论坛”(Tech Shanghai Power 2017)上,康模数尔公司(COMSOL)技术经理王刚博士带来了题为“多物理场仿真在电源管理以及功率器件设备中的应用”的精彩演讲,讲解了数个有关“电源管理及功率器件设计”的典型案例,并通过这些案例分析,探讨了仿真在其中起到的关键作用——非常实用!

王刚博士指出,电源管理及功率器件/设备涉及多个物理场,包括:

  • 电子设备:电流场、磁场、半导体、电化学等
  • 热管理:强制对流散热——流场
  • 热量/温度分布:温度场
  • 热引起的应力和变形 ……

“根据器件涉及的各种物理场情况,我们要列的话还可以有很多。除了做实验,还有一个更加方便的工具就是计算机模拟,因为我们的软件是希望从最基本的物理概念出发,通过数值计算的方法计算出电源管理器件会面临的现象。”王刚博士表示,“比如我们在研究电子设备系统过热的时候,就可以通过传热方程或电磁场方程等相关物理概念算出电源/功率器件里温度的时间分布,进而预测性能、寿命等是否符合要求。”

“还有一个我们所关注的是电磁污染。在电磁器件里会产生电磁干扰,我们需要考虑这些电磁干扰是否会影响电源和功率器件的实际工作情况。通过仿真工具,我们可以经过电磁场计算算出电磁场在各个受关注部位是否符合我们的预期要求。”他补充说。

10+款典型用户案例分享:哪款符合您的设计?

借助仿真优化ABB智能电网分接开关的设计 ABB智能电网分接开关用在高压开关柜里。高压变压器在供电以后,需要模拟绝缘材料表面和内部的介电应力,了解其是否会对结构产生破坏。通过电磁场计算算出电磁力以及介电应力,在知道常见材料的强度极限的情况下,就可以结合计算出的这些力来判断其是否会对开关结构产生不可预期的破坏。

20170922-simulation-1

借助磁共振实现灵活的无线充电 再比如,苹果公司上周发布了最新的iPhone,其中就包括大家广泛关注的无线充电。无线充电的原理是主线圈和从线圈之间产生电磁共振,从而将能量传送过去。无线充电的早期设计是将二者靠得很近,这样产生电磁共振就很容易。然而我们希望手机放在充电板上任意一个角度、任意一个位置,都能实现电磁共振。在这种情况下去做实验,成本就会很高。而通过电磁场计算仿真就可以很容易地建模。“下图中的示例是美国WiTricity公司的无线充电仿真方案。这家公司专门为客户设计汽车工业设备或电子设备用无线充电,分析线圈的排布或绕组以及主从线圈之间的距离、方向产生的影响。通过仿真之后就可以很快去做概念性的验证和原型设计,从而加快设计进程。”王博士透露。

20170922-simulation-2

石墨烯有效提高消费电子产品的性能 石墨烯具有优良的散热性能。随着其生产工艺的提升,未来其生产会越来越容易,应用会越来越广泛。石墨烯在智能手机里可以用于散热。手机空间非常狭窄,而石墨烯很薄,可以贴在发热部位帮助散热。通过数值计算,我们可以确定怎样的石墨烯设计可以达到最佳散热效果。

20170922-simulation-3

新布线方案有效降低器件发热及机械疲劳 下图ABB公司的芯片和电路板通过引线方式实现引脚连接。传统设计方案通过直接引线连接,由于引脚连接部位相对于面积较小,因此接触电阻较大,在实际工作中会产生较高温度,达到甚至超出设定极限,导致寿命降低。因此我们希望在实际当中通过某种方案使温度降下来。ABB公司通过在中间增加连接部位(实际加工难度并未增加多少),使引脚的连接面积增加很多,从而大幅改善散热性能。温度降低导致热应力降低,进而导致器件开关的疲劳寿命得到数倍增长。这对高可靠性的产品设计来说可以得到很好的提升。

20170922-simulation-4

高性能功率器件模组的优化设计 IGBT等高功率器件模组中包含电、磁、热等物理场。芯片中央可能是发热部位,我们可以想办法在中央增加散热,或在后续做散热片的优化设计时,通过拓扑优化的方法算出模组外所需的散热片设计。

20170922-simulation-5

SMD设计中的热行为仿真 电路板上的贴片电阻或贴片芯片的发热,也同样可以通过计算得出。

20170922-simulation-6

打破常理实现更快的信号模拟速度 下图中,Intel PCB的设计方案里,我们可以通过电磁场计算,算出实现高速互连的最佳方案。然后通过拓扑结构优化算法,可以算出天线自动布线以及信号的连接方式。

20170922-simulation-7

电池仿真推动电动汽车发展 电动汽车电池也同样可以通过仿真得到较好的计算结果。比如福特公司做的电池仿真计算。通过向仿真工具中添加电池模块,就可以模拟电池的工作情况。图中的电池电压变化曲线反应的是踩下油门时的放电状态和松开油门时的松弛过程(图中闪点是实验结果,虚线是仿真结果;可以看出仿真和实验结果基本一致)。此外,我们还可以进一步对锂离子电池长时间使用寿命进行模拟分析——电池容量衰减到一定程度即认为失效。

20170922-simulation-8

热管理的改进大幅提高电池的使用寿命 实际工作中,热对电池使用寿命影响很大。同样可以利用仿真软件对此进行分析。

20170922-simulation-9

**高温对半导体器件性能的影响 **下图中是一个双极晶体管的模型。如果要设计一款半导体器件,我们需要知道如何设计器件掺杂以及微观结构,才能使其满足半导体性能需求。因此,康模数尔在软件里提供了半导体模块,用于计算半导体工作原理。同样,我们可以在仿真过程中引入温度、电压、电流等工况的影响,了解温度分布是否低于指定的数值。而如果用实验测定,则需要放置多个传感器,且不如仿真来得直观。

20170922-simulation-10 20170922-simulation-11

半封闭电子设备中的温/湿度分析 电子设备中的温/湿度达到一定程度可能引起漏电,进而引起短路。仿真软件同样可以对此进行分析。

20170922-simulation-12

仿真App和仿真设计方案

王博士介绍说,康模数尔的产品名称是COMSOL Multiphysics。顾名思义,该公司就是做多物理场建模的。它提供的软件工具包括MULTIPHYSICS和APPLICATIONS。前者是一个建模开发器,可以在软件当中以同样的方式创建物理模型,比如对于电源管理设计来说,可以将CAD布局导入到模型中,然后将各种物理场比如电磁场、传热、流体等引入进来,通过建模得到计算结果。在此基础之上还可以进一步进行二次开发,即二次开发器APPLICATIONS。类似智能手机中的App,通过二次开发器可以很方便地将模型封装起来,得到定制界面。这样即便是对不是很懂仿真甚至不懂仿真的工程师,通过在服务器或客户端中运行,他只需要在界面中输入他关注的参数,就可以得到他想了解的结果。

上面这段话听起来有点抽象,下面通过实际设计方案来做具体解释。

仿真App简化电子器件的设计 下图是一个直观界面,APEI公司的设计中指定了4条引线,通过给定的数字自动画出图形,然后算出温度。在界面上可以很方便地去修改,比如增加引线或是减少引线,直接在界面上填入数字、点击计算即可。这就是康模数尔的“仿真App”,没有实际仿真经验的工程师也可以方便上手。

20170922-simulation-13

PCB上的竖直翅片散热器设计App 同样也是如此,下图是COMSOL的咨询公司AltaSim为其客户做的App。

20170922-simulation-14

热管理仿真App 下图左边的仿真界面中列出了所有的参数、几何、物理场、边界条件、后处理等等。这在操作起来需要仿真经验,一来需要了解仿真概念,二来用过一段时间会愈加熟悉,因此在各个公司里只有少部分人能精通使用。通过将其封装起来得到右边这种App形式,使用者就可以很直观地使用(只涉及需要微调的参数,以及计算、显示等按钮),只需要了解产品的使用场景即可。

20170922-simulation-15

“为了简化用户使用,康模数尔提供了App设计工具,这样在软件里就可以很方便地通过表单构建方式,比如控件方式来将控件逐一填上去,来进行封装。用户在自己的公司或云上通过安装COMSOL产品后,以上定制的仿真App就可以通过Windows上的免费客户端上传到COMSOL的服务器,或者用户也可通过手机上的浏览器连接到服务器来运行仿真,得到想要的结果。”王博士表示。

20170922-simulation-16

“比如一个案例是,一个客户的市场部的宣传人员到现场去跟他们的客户洽谈下一步产品设计或修正时,把平板电脑打开或通过手机,无线连接到COMSOL Server,直接进行计算,现场就能看到修正后的结果是否满足要求。”王博士补充说。

20170922-simulation-17

二维码