張玉鈴 侯碩琳

[摘 ? ?要]目前，電子設(shè)備大功率、小體積的要求越來越嚴苛，電熱仿真成為設(shè)計大功率電路板的必要環(huán)節(jié)。介紹了一種基于SIwave和Icepak軟件實現(xiàn)電路板PCB電熱仿真的方法，并進行電熱試驗驗證了仿真方法的可行性、準確性。

[關(guān)鍵詞]電源完整性;電熱仿真;SIwave;Icepak

[中圖分類號]TN41 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]At present， the requirements of high power and small volume of electronic equipment are becoming more and more stringent. Electrothermal simulation has become a necessary link for engineers to design high-power circuit boards. This paper introduces a method of PCB electrothermal simulation based on siwave and Icepak software， and carries out electrothermal test to verify the feasibility and accuracy of the simulation method.

[Keywords]power integrity; electrothermal simulation; SIwave; Icepak

隨著電子設(shè)備快速發(fā)展，電子設(shè)備的大功率、高密度特點日益明顯，因此電子設(shè)備中的大功率電路板的電熱問題成為了影響產(chǎn)品可靠性、開發(fā)周期和成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。若能夠在方案階段對大功率電路板進行電熱仿真，根據(jù)電熱仿真結(jié)果提前規(guī)避產(chǎn)品電熱溫升的薄弱點，則可以減少反復投板試驗的開發(fā)周期和成本，同時也提高了電子設(shè)備的可靠性。

對于大功率電路板設(shè)計，需要工程師根據(jù)電熱仿真結(jié)果，對發(fā)熱嚴重區(qū)域進行優(yōu)化和增加散熱措施，保證在電熱仿真結(jié)果滿足產(chǎn)品技術(shù)要求后，再進行投產(chǎn)，提高產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的成功率。因此對電路板電熱仿真獲得熱耗和溫度分布，進而指導電路板設(shè)計，成為了大功率電子設(shè)備設(shè)計流程不可缺少的一個環(huán)節(jié)。本文介紹了一種基于SIwave和Icepak軟件實現(xiàn)大功率電路板電熱仿真的方法，并通過產(chǎn)品驗證此仿真方法的可行性、準確性。

1 背板PCB電熱仿真

ANSYS的SIwave軟件可以進行電源完整性仿真，仿真內(nèi)容包括電壓分布、電壓跌落、電流密度分布、功率損耗、PDN阻抗。仿真后的數(shù)據(jù)可以與Icepak軟件共享，并在Icepak軟件中繼續(xù)進行熱仿真，得到PCB板的溫度分布。

電路板的電熱仿真流程見圖1，SIwave軟件可以直接將設(shè)計完成的PCB文件導入，然后編輯印制板的疊層材料、厚度等，保證按照實際加工參數(shù)進行仿真。印制板編輯完成后，在SIwave中進行直流壓降分析（DC IR drop），將仿真計算的熱耗結(jié)果作為邊界條件導入Icepak中，最后在Icepak軟件中計算得到電路板的溫升結(jié)果。查看仿真的溫升是否滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，若不滿足，更改電路板設(shè)計，再次仿真計算，經(jīng)過若干次迭代獲得合格的計算結(jié)果。

1.1 SIwave仿真計算

以一塊16層的背板PCB設(shè)計圖為例進行仿真。背板是在多板卡組成的設(shè)備中作為母板的特殊PCB，其上排布若干用于插裝子板的插槽連接器，背板在功能上實現(xiàn)為各子板提供互連線通道及電源供應，因此背板的電源性能設(shè)計顯得尤為嚴格和重要。

此案例PCB采用16層板，板的尺寸為226 mm× 100 mm，厚度3 mm，PCB材料選擇絕緣材料FR4和銅，對其中的5 V電源銅箔做電熱仿真。圖2為SIWAVE軟件導入PCB后，對PCB進行直流壓降仿真分析的結(jié)果，電流由注入端向負載端規(guī)律分布，沿主路徑軌跡密度較大，邊緣逐漸稀疏。

1.2 Icepak仿真計算

將電路板仿真計算后的熱耗結(jié)果保存，然后導入Icepak軟件中作為熱源進行流場分析，冷卻方式設(shè)置為自然冷卻，建立450 mm×500 mm×300 mm的計算域，環(huán)境溫度設(shè)置為29 ℃，電流20 A時的電熱仿真結(jié)果如圖3所示，電流15 A時的電熱仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖可見，截面內(nèi)最高溫度均出現(xiàn)在電源注入接口，電流20 A時電路板上最高溫度達到了71.78 ℃，電流15 A時電路板上最高溫度達到了54.21 ℃。同時平面內(nèi)溫度的分布也與電流的密度分布相吻合，即電流密度越大的區(qū)域溫度越高，并且趨向周邊呈梯度變化。

2 試驗驗證

將上述仿真的電路板通電15 A和20 A，通過溫度測試結(jié)果和仿真結(jié)果對比，驗證仿真方法的可行性和準確性。本試驗驗證使用儀器為直流電源、熱成像儀。電路板接直流電源通電1 h，PCB內(nèi)形成穩(wěn)定溫度場后，用熱成像儀拍攝測試PCB的溫度。

用熱成像儀標記出3個點位的溫度，仿真云圖也取樣與之相近的點的溫度，從而對比。選取如圖5所示的點的溫度。

電路板輸入5 V/20 A時，由熱成像儀拍攝的電路板溫度云圖如圖6所示。圖6中點1對應圖5中的標記點1，點2對應圖5中的標記點2，點3對應圖5中的標記點3。

電路板輸入5 V/15 A時，由熱成像儀拍攝的電路板溫度云圖如圖7所示。圖7中點1對應圖5中的標記點1，點2對應圖5中的標記點3，點3對應圖5中的標記點2。

將電路板測試溫度和仿真溫度總結(jié)見表1和表2。通過對比可知，在20 A情況下，點1溫差4.2 ℃，點2溫差0.4 ℃，點3溫差為0 ℃;在15 A情況下，點1溫差3.8 ℃，點2溫差2.8 ℃，點3溫差為0.1 ℃。點2、點3仿真與測試吻合較好，點1約有4 ℃溫差。

仿真結(jié)果與試驗值存在誤差，可能存在的原因如下：通過SIWAVE軟件仿真得到各個疊層的熱功率密度，在Icepak導入過程中只保留了高于默認參數(shù)的熱耗，低于默認值的被忽略，導致整體輸入熱耗降低;此外仿真選取的算法、網(wǎng)格數(shù)也會影響仿真結(jié)果。

通過表1和表2中記錄的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在電路板發(fā)熱最嚴重的區(qū)域，仿真結(jié)果與實測值相差0.1 ℃。因此使用SIwave和Icepak軟件聯(lián)合仿真的結(jié)果具備準確性和指導性。

3 結(jié)束語

本文采用仿真軟件SIwave軟件和Icepak軟件對某信號傳輸電路板建立了PCB的仿真模型，并采用有限元分析法對其進行了熱仿真，獲得了電流密度、溫度分布情況，對熱量集中點的溫度仿真值誤差為達到0.1 ℃，準確度高。仿真為合理地預估電源載流設(shè)計是否充分，正常工作過程中的發(fā)熱量及實際溫升是否滿足正常使用要求提供了極大的參考價值，從而指導電路設(shè)計、散熱設(shè)計，降低設(shè)計開發(fā)成本，縮短研制周期。

參考文獻

[1] 王永康，張義芳.ANSYS Icepak進階應用導航案例[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2] 張浩.電動汽車電機控制器的電源完整性分析[J].電子與封裝，2019，19（2）：42-44

[3] 王洪輝，高波，孫海燕.基于LFGBA的電熱耦合仿真[J].中國集成電路，2018（233）：41-46.

[4] 蘇浩航.視頻處理電路電熱耦合的仿真分析[J].空間電子技術(shù)，2018（1）：87-90.

[5] 馬巖.印制電路板詳細模型的熱仿真分析[J].機械設(shè)計與制造工程，2016，45（1）：52-55.