我們先設(shè)定一下場(chǎng)景：假設(shè)某一系統(tǒng)運(yùn)行溫度過(guò)高，需要評(píng)估冷卻解決方案，如使用風(fēng)扇或液體冷卻。所有冷卻解決方案均可在仿真中進(jìn)行評(píng)估，但如何在仿真模型中定義熱源和邊界條件？

要獲取熱仿真的輸入數(shù)據(jù)，需要了解系統(tǒng)中的主要熱源。這意味著要使用原型進(jìn)行一些測(cè)量，以便在仿真模型中定義熱源和邊界條件。在測(cè)試電子系統(tǒng)時(shí)，有幾種測(cè)量方法（例如熱電偶或紅外攝像機(jī)）都可以確定主要熱源。

在確定主要熱源后，只要正確使用測(cè)量數(shù)據(jù)，便可進(jìn)行系統(tǒng)仿真。為了解仿真過(guò)程，我們將探討在設(shè)計(jì)中收集哪些測(cè)量數(shù)據(jù)，以及如何使用它們來(lái)設(shè)置熱仿真。

從熱測(cè)量開(kāi)始

為了確保熱仿真的精確性，首先需要進(jìn)行精確的測(cè)量，定義想要在仿真中重現(xiàn)的情況。在熱仿真中，最終目標(biāo)是計(jì)算系統(tǒng)中一組給定源的溫度分布。此外，我們還要確定系統(tǒng)在受到干擾（例如氣流干擾）后發(fā)生變化所需的時(shí)間。然后可以使用此初始溫度分布仿真來(lái)評(píng)估新設(shè)計(jì)，例如在系統(tǒng)中添加風(fēng)扇。

從定義要求開(kāi)始

在測(cè)量溫度之前，首先要明確您想要與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較的具體場(chǎng)景。例如，您需要確定測(cè)試用例的以下方面：

重要器件的功耗是多少？

是否包括導(dǎo)熱墊或散熱器等特殊材料？

更改后，系統(tǒng)中的測(cè)量結(jié)果是否可重復(fù)？

這些都是為產(chǎn)品設(shè)置熱測(cè)試用例時(shí)的基本任務(wù)。設(shè)置熱測(cè)試時(shí)有兩個(gè)最常見(jiàn)的場(chǎng)景：分析標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)條件和壓力作業(yè)條件。前者展示產(chǎn)品的典型使用場(chǎng)景，后者用于確定產(chǎn)品可能容易出現(xiàn)故障的額定工作范圍上限。

測(cè)量位置

為了確定產(chǎn)品內(nèi)部的溫度分布，應(yīng)在系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。以下是幾種常見(jiàn)的溫度測(cè)量方法：

使用熱電偶進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量

使用紅外熱傳感器進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量

使用熱像儀進(jìn)行全系統(tǒng)測(cè)量

使用紅外點(diǎn)傳感器進(jìn)行的熱測(cè)量是一種瞄準(zhǔn)式解決方案，能夠提供系統(tǒng)中特定點(diǎn)的溫度讀數(shù)。然而，就像熱像儀一樣，這種測(cè)量需要將外殼完全打開(kāi)，才能從 PCB 上獲取讀數(shù)。使用熱電偶進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量是最理想的選擇，因?yàn)樗鼈兛梢越尤敕忾]的封裝中，并直接連接到集成電路封裝進(jìn)行溫度測(cè)量。

使用手持式紅外傳感器進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量

當(dāng)使用一組熱電偶時(shí)，應(yīng)直接測(cè)量所有熱集成電路封裝，因?yàn)檫@些封裝是系統(tǒng)中的主要熱源。隨后將使用這些直接測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)確定熱仿真中所需的一些材料參數(shù)。

此外，還應(yīng)獲取外殼內(nèi)部空隙的溫度讀數(shù)。這也可測(cè)量設(shè)計(jì)中的停滯空氣，因此將成為仿真模型評(píng)估的一部分。最后，將熱電偶連接到外殼表面或使用熱像儀測(cè)量外殼溫度。

這些直接測(cè)量值可以通過(guò)現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ）單元捕獲，例如下圖所示的測(cè)量計(jì)算單元。

用于捕獲熱電偶測(cè)量值的 DAQ 單元。

連接熱電偶后，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，觀察其是否達(dá)到熱平衡。一旦系統(tǒng)達(dá)到平衡溫度，DAQ 將記錄每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的連續(xù)溫度數(shù)據(jù)。

在某些情況下，如果外殼體積較小且沒(méi)有開(kāi)放的熱電偶接入點(diǎn)，可能很難獲取所有這些測(cè)量值。在這些系統(tǒng)中，更合理的做法可能是打開(kāi)外殼并將 PCB 放置在較大的盒子中，以便為熱電偶留出空間。另一種選擇是使用熱像儀直接成像，而不是使用熱電偶進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，因?yàn)檫@可以直接從主要產(chǎn)熱器件獲取表面溫度測(cè)量值。

在仿真中重現(xiàn)測(cè)量值

在仿真中分析更改的設(shè)計(jì)之前，需要使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)在仿真中重現(xiàn)現(xiàn)有的測(cè)量值。在仿真中重現(xiàn)測(cè)試用例，可以驗(yàn)證仿真模型——用物理測(cè)試用例作為參考，可以評(píng)估仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

熱仿真需要求解封閉系統(tǒng)中的熱方程，這要求掌握系統(tǒng)中各個(gè)點(diǎn)的熱導(dǎo)率。就集成電路封裝而言，這些數(shù)據(jù)不像外殼材料或 PCB 材料那樣以表格形式提供，但可以根據(jù)數(shù)據(jù)表中的封裝熱阻值和操作過(guò)程中直接測(cè)量的溫度值來(lái)確定。

熱仿真需要熱源（S）的值，以便預(yù)測(cè)產(chǎn)品中的穩(wěn)態(tài)溫度分布。下圖展示了集成電路仿真包計(jì)算源熱通量（S）所需的輸入?yún)?shù)：

根據(jù)封裝熱阻、封裝尺寸和溫度測(cè)量值來(lái)計(jì)算熱通量。

Tambient（即環(huán)境溫度）的值將作為外殼內(nèi)部停滯空氣的初始條件。為了在仿真中定義熱源，可以將另一個(gè)溫度值（T）視為靜態(tài)值。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可以將 T 設(shè)置為平衡狀態(tài)下的封裝溫度測(cè)量值。

確定封裝熱導(dǎo)率（k）和靜態(tài)封裝溫度（T）的值之后，可以使用以下設(shè)置進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真：

初始條件：

Tambient已知，可調(diào)整

外殼主體溫度（可設(shè)置為Tambient）

邊界條件：

T 從測(cè)量中獲得，設(shè)置為靜態(tài)值

外殼外部溫度（可設(shè)置為室溫）

您也可以通過(guò)將 Tambient設(shè)為系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)測(cè)量的停滯空氣溫度和外殼溫度，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真。這種仿真方法速度更快，并且能夠有效驗(yàn)證系統(tǒng)仿真模型。

初始熱仿真結(jié)果可用于評(píng)估對(duì)系統(tǒng)的修改。

修改系統(tǒng)并重新仿真

一旦系統(tǒng)經(jīng)過(guò)仿真并獲得參考數(shù)據(jù)，便可實(shí)施擬定的修改并重新檢查系統(tǒng)。如果條件允許，可以同時(shí)進(jìn)行新的測(cè)量，盡管并非所有系統(tǒng)都支持此類修改。無(wú)論如何，仿真是確定設(shè)計(jì)更改以減少熱負(fù)荷的最快方法。

例如，您可以使用合格仿真模型來(lái)重現(xiàn)熱電偶的測(cè)量值，然后對(duì)其進(jìn)行修改以添加風(fēng)扇。通過(guò) CFD 熱協(xié)同仿真，可以添加氣流源并運(yùn)行瞬態(tài)仿真，檢查不同流速對(duì)運(yùn)行期間平衡溫度的影響。通過(guò)這種方法，您可以快速識(shí)別出一些在測(cè)量中難以發(fā)現(xiàn)的潛在問(wèn)題，例如：

存在停滯空氣的重點(diǎn)區(qū)域

流量較低的區(qū)域

進(jìn)氣口和排氣口位置對(duì)氣流的影響

上述因素對(duì)外殼表面溫度的影響

溫度下降與氣流之間的關(guān)系

排氣溫度

在典型的熱仿真中，部分上述參數(shù)會(huì)直接顯示在電路板上，但會(huì)疊加流線來(lái)展示氣流的位置和流量。在這些仿真中，還會(huì)檢查其他冷卻措施，例如使用散熱器、將熱界面材料附著到外殼或使用尺寸較大的外殼。

帶有流線的熱感知 CFD 仿真。

雖然為仿真收集熱數(shù)據(jù)的前期工作較為耗時(shí)，但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更快地驗(yàn)證與熱控制和管理相關(guān)的設(shè)計(jì)更改。最終減少原型迭代次數(shù)，從而節(jié)省時(shí)間和成本，并且隨著新原型的構(gòu)建和測(cè)試，可以不斷更新仿真模型。Cadence 的 Celsius EC Solver 可以對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)進(jìn)行建模和分析、對(duì)復(fù)雜電子系統(tǒng)的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行分析，不僅可以降低產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)，還可以優(yōu)化熱管理解決方案，最大程度地提升性能。