從事電源管理及功率器件設計的工程師們應該知道,電子設備系統過熱會造成電子元件過快損耗、性能下降、停止工作,甚至引起安全問題。電子設備之間以電磁傳導、感應和輻射彼此關聯并相互影響,從而對設備和人員造成干擾、影響和危害。此外,電子設備運行中的機械形變、疲勞等會直接影響其使用壽命……因此,我們在做電源管理及功率器件設計時必須對多個物理場進行分析。然而,您還在只通過實驗的方法來確定這些設計參數嗎?

日前,在《電子技術設計》、《電子工程專輯》和《國際電子商情》共同舉辦的“電源管理與功率器件論壇”(Tech Shanghai Power 2017)上,康模數爾公司(COMSOL)技術經理王剛博士帶來了題為“多物理場仿真在電源管理以及功率器件設備中的應用”的精彩演講,講解了數個有關“電源管理及功率器件設計”的典型案例,并通過這些案例分析,探討了仿真在其中起到的關鍵作用——非常實用!

王剛博士指出,電源管理及功率器件/設備涉及多個物理場,包括:

  • 電子設備:電流場、磁場、半導體、電化學等
  • 熱管理:強制對流散熱——流場
  • 熱量/溫度分布:溫度場
  • 熱引起的應力和變形 ……

“根據器件涉及的各種物理場情況,我們要列的話還可以有很多。除了做實驗,還有一個更加方便的工具就是計算機模擬,因為我們的軟件是希望從最基本的物理概念出發,通過數值計算的方法計算出電源管理器件會面臨的現象。”王剛博士表示,“比如我們在研究電子設備系統過熱的時候,就可以通過傳熱方程或電磁場方程等相關物理概念算出電源/功率器件里溫度的時間分布,進而預測性能、壽命等是否符合要求。”

“還有一個我們所關注的是電磁污染。在電磁器件里會產生電磁干擾,我們需要考慮這些電磁干擾是否會影響電源和功率器件的實際工作情況。通過仿真工具,我們可以經過電磁場計算算出電磁場在各個受關注部位是否符合我們的預期要求。”他補充說。

10+款典型用戶案例分享:哪款符合您的設計?

借助仿真優化ABB智能電網分接開關的設計 ABB智能電網分接開關用在高壓開關柜里。高壓變壓器在供電以后,需要模擬絕緣材料表面和內部的介電應力,了解其是否會對結構產生破壞。通過電磁場計算算出電磁力以及介電應力,在知道常見材料的強度極限的情況下,就可以結合計算出的這些力來判斷其是否會對開關結構產生不可預期的破壞。

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借助磁共振實現靈活的無線充電 再比如,蘋果公司上周發布了最新的iPhone,其中就包括大家廣泛關注的無線充電。無線充電的原理是主線圈和從線圈之間產生電磁共振,從而將能量傳送過去。無線充電的早期設計是將二者靠得很近,這樣產生電磁共振就很容易。然而我們希望手機放在充電板上任意一個角度、任意一個位置,都能實現電磁共振。在這種情況下去做實驗,成本就會很高。而通過電磁場計算仿真就可以很容易地建模。“下圖中的示例是美國WiTricity公司的無線充電仿真方案。這家公司專門為客戶設計汽車工業設備或電子設備用無線充電,分析線圈的排布或繞組以及主從線圈之間的距離、方向產生的影響。通過仿真之后就可以很快去做概念性的驗證和原型設計,從而加快設計進程。”王博士透露。

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石墨烯有效提高消費電子產品的性能 石墨烯具有優良的散熱性能。隨著其生產工藝的提升,未來其生產會越來越容易,應用會越來越廣泛。石墨烯在智能手機里可以用于散熱。手機空間非常狹窄,而石墨烯很薄,可以貼在發熱部位幫助散熱。通過數值計算,我們可以確定怎樣的石墨烯設計可以達到最佳散熱效果。

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新布線方案有效降低器件發熱及機械疲勞 下圖ABB公司的芯片和電路板通過引線方式實現引腳連接。傳統設計方案通過直接引線連接,由于引腳連接部位相對于面積較小,因此接觸電阻較大,在實際工作中會產生較高溫度,達到甚至超出設定極限,導致壽命降低。因此我們希望在實際當中通過某種方案使溫度降下來。ABB公司通過在中間增加連接部位(實際加工難度并未增加多少),使引腳的連接面積增加很多,從而大幅改善散熱性能。溫度降低導致熱應力降低,進而導致器件開關的疲勞壽命得到數倍增長。這對高可靠性的產品設計來說可以得到很好的提升。

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高性能功率器件模組的優化設計 IGBT等高功率器件模組中包含電、磁、熱等物理場。芯片中央可能是發熱部位,我們可以想辦法在中央增加散熱,或在后續做散熱片的優化設計時,通過拓撲優化的方法算出模組外所需的散熱片設計。

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SMD設計中的熱行為仿真 電路板上的貼片電阻或貼片芯片的發熱,也同樣可以通過計算得出。

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打破常理實現更快的信號模擬速度 下圖中,Intel PCB的設計方案里,我們可以通過電磁場計算,算出實現高速互連的最佳方案。然后通過拓撲結構優化算法,可以算出天線自動布線以及信號的連接方式。

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電池仿真推動電動汽車發展 電動汽車電池也同樣可以通過仿真得到較好的計算結果。比如福特公司做的電池仿真計算。通過向仿真工具中添加電池模塊,就可以模擬電池的工作情況。圖中的電池電壓變化曲線反應的是踩下油門時的放電狀態和松開油門時的松弛過程(圖中閃點是實驗結果,虛線是仿真結果;可以看出仿真和實驗結果基本一致)。此外,我們還可以進一步對鋰離子電池長時間使用壽命進行模擬分析——電池容量衰減到一定程度即認為失效。

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熱管理的改進大幅提高電池的使用壽命 實際工作中,熱對電池使用壽命影響很大。同樣可以利用仿真軟件對此進行分析。

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**高溫對半導體器件性能的影響 **下圖中是一個雙極晶體管的模型。如果要設計一款半導體器件,我們需要知道如何設計器件摻雜以及微觀結構,才能使其滿足半導體性能需求。因此,康模數爾在軟件里提供了半導體模塊,用于計算半導體工作原理。同樣,我們可以在仿真過程中引入溫度、電壓、電流等工況的影響,了解溫度分布是否低于指定的數值。而如果用實驗測定,則需要放置多個傳感器,且不如仿真來得直觀。

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半封閉電子設備中的溫/濕度分析 電子設備中的溫/濕度達到一定程度可能引起漏電,進而引起短路。仿真軟件同樣可以對此進行分析。

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仿真App和仿真設計方案

王博士介紹說,康模數爾的產品名稱是COMSOL Multiphysics。顧名思義,該公司就是做多物理場建模的。它提供的軟件工具包括MULTIPHYSICS和APPLICATIONS。前者是一個建模開發器,可以在軟件當中以同樣的方式創建物理模型,比如對于電源管理設計來說,可以將CAD布局導入到模型中,然后將各種物理場比如電磁場、傳熱、流體等引入進來,通過建模得到計算結果。在此基礎之上還可以進一步進行二次開發,即二次開發器APPLICATIONS。類似智能手機中的App,通過二次開發器可以很方便地將模型封裝起來,得到定制界面。這樣即便是對不是很懂仿真甚至不懂仿真的工程師,通過在服務器或客戶端中運行,他只需要在界面中輸入他關注的參數,就可以得到他想了解的結果。

上面這段話聽起來有點抽象,下面通過實際設計方案來做具體解釋。

仿真App簡化電子器件的設計 下圖是一個直觀界面,APEI公司的設計中指定了4條引線,通過給定的數字自動畫出圖形,然后算出溫度。在界面上可以很方便地去修改,比如增加引線或是減少引線,直接在界面上填入數字、點擊計算即可。這就是康模數爾的“仿真App”,沒有實際仿真經驗的工程師也可以方便上手。

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PCB上的豎直翅片散熱器設計App 同樣也是如此,下圖是COMSOL的咨詢公司AltaSim為其客戶做的App。

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熱管理仿真App 下圖左邊的仿真界面中列出了所有的參數、幾何、物理場、邊界條件、后處理等等。這在操作起來需要仿真經驗,一來需要了解仿真概念,二來用過一段時間會愈加熟悉,因此在各個公司里只有少部分人能精通使用。通過將其封裝起來得到右邊這種App形式,使用者就可以很直觀地使用(只涉及需要微調的參數,以及計算、顯示等按鈕),只需要了解產品的使用場景即可。

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“為了簡化用戶使用,康模數爾提供了App設計工具,這樣在軟件里就可以很方便地通過表單構建方式,比如控件方式來將控件逐一填上去,來進行封裝。用戶在自己的公司或云上通過安裝COMSOL產品后,以上定制的仿真App就可以通過Windows上的免費客戶端上傳到COMSOL的服務器,或者用戶也可通過手機上的瀏覽器連接到服務器來運行仿真,得到想要的結果。”王博士表示。

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“比如一個案例是,一個客戶的市場部的宣傳人員到現場去跟他們的客戶洽談下一步產品設計或修正時,把平板電腦打開或通過手機,無線連接到COMSOL Server,直接進行計算,現場就能看到修正后的結果是否滿足要求。”王博士補充說。

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