О проблемах смешанного электро-теплового

моделирования в задачах проектирования печатных плат

В.Е.Шельбах,
инженер-разработчик ,vladimir_schellbach@mentor.com,
Н.И.Филатов,
д.т.н., руководитель группы, nicolai_philatov@mentor.com,
Mentor Graphics, г.Москва

Рост быстродействия современных электронных устройств влечет за собой возрастание их энергопотребления, и, как следствие, температуры, что, в свою очередь оказывает влияние на их электрические характеристики. Это накладывает особые требования к средствам моделирования – независимые программные продукты для моделирования различных аспектов работы электрической схемы ( различные виды электрического анализа, анализ мощности, температурный анализ ) становятся неэффективными по отдельности, требуется интегрировать их в единый процесс моделирования, учитывающий все взаимосвязи между описанными выше характеристиками работы схемы.

В данной статье мы попытаемся описать возможные способы смешанного электро-теплового моделирования, учитывающие наиболее важные аспекты взаимосвязи между электрическими и тепловыми процессами, происходящими на печатной плате ( здесь и далее также PCBPrinted Circuit Board ).

1.  Учёт выделения тепла в цепях земли/питания

Цепи земли/питания ( часто называемых так же «константными» ) на современных печатных платах, как правило, имеют весьма сложную топологию – в отличие от сигнальных цепей, реализованных с помощью так называемой «тонкой» трассировки ( сегменты и межслойные переходы ), для реализации цепей земли питания используются  сложные металлические формы ( т.н. area fills ). Примеры топологии сигнальной и константной цепей показаны на рис. 1 и 2 ( рассматриваемая цепь выделена зеленым цветом ).

 

рис. 1. Пример топологии сигнальной цепи

рис. 2. Пример топологии константной цепи

Столь сложная форма топологии константных цепей на современных PCB неслучайна – это требуется по ряду причин, в частности, требований ЭМС ( электро-магнитной совместимости ).

С ростом энергопотребления компонентов схемы ( особенно интегральных схем ) наблюдается эффект падения напряжения питания в константных цепях ( т.н. voltage drop ), что оказывает существенное влияние на электрические параметры схемы. Более того, в случае наличия «узких» мест в топологии константной цепи наблюдается локальный пик плотности тока, и, как следствие, локальный перегрев, что показано на рис. 3.

 

рис. 3 Локальный пик плотности тока в цепи питания

Этот приводит, во-первых, к сильному возрастанию локального электрического сопротивления металла, и , в худшем случае, даже к механическому разрушению этого «узкого места» - металл может «пережечься».

Чтобы учесть этот эффект, в средствах моделирования можно сделать следующие усовершенствования:

1.        Модуль расчета падения напряжения генерирует «карту» плотностей токов или соответствующей этим токам выделяемой мощности, и эта карта передается как входные данные для модуля расчета температуры.

2.        Модуль расчета температуры передает карту распределения температуры как входные данные для модуля расчета падения напряжения, и  эти данные учитываются при расчете сопротивлений металла в локальных областях.

Как видно, существует «обратная связь» между двумя модулями в обоих направлениях, что может быть смоделировано различными способами, самым простейшим из которых является последовательный итеративный запуск этих двух модулей с последовательной передачей результатов анализа от одного модуля к другому.

Существуют продукты ( например, [1] ), учитывающие этот эффект.

2.     Зависимость энергопотребления интегральных схем от температуры

Основными источниками тепла на печатной плате являются, как правило, интегральные схемы. С усложнением технологии проектирования, энергопотребление на единицу их площади возрастает приблизительно экспоненциально, согласно закону Мура (Moores law) [2] Кроме того, на технологиях 90 нм и глубже, наблюдается экспоненциальный рост величин токов утечек ( т.н. leakage power ) при увеличении температуры ( рис. 4 )

 

Apafig2

 

рис. 4 Экспоненциальная зависимость токов утечки от температуры

Стандартный подход при температурном анализе подразумевает статические значения энергопотребления компонентов. Для современных интегральных схем это становится неверным, что требует усложнения модели таких компонентов – выделяемая мощность должна задаваться как функция от температуры. Данное требование усложняет алгоритм моделирования, поскольку уравнение теплопроводности, во-первых, становится существенно нелинейным:

                                                   (1)

 

А, во-вторых, из-за факта наличия «положительной обратной связи» между температурой и выделяемой мощностью, возникают дополнительные проблемы с неустойчивостью разностных схем.

Тем не менее, существуют продукты ( например, [3] ), учитывающие этот эффект.

3.  Учет выделения тепла в сигнальных цепях

Для большинства печатных плат ( скажем, тех, что используются в персональных компьютерах ) мощность, выделяемая в сигнальных цепях, пренебрежима мала  по сравнению с двумя другими классами источников тепла ( интегральные схемы и цепи земли/питания ). Тем не менее, существует и существенное исключение – это особый класс печатных плат, используемый в автомобильной индустрии. Такие платы содержат шины, по которым идет ток высокой плотности. Эти шины являются достаточно существенными источниками тепла, и их также необходимо учитывать в температурном анализе. Пример такой платы показан на рис. 5

 

рис. 5. Выделение тепла в «горячих» сигнальных трассах

Электро-тепловое моделирование таких цепей может осуществляться способом, схожим с моделированием константных цепей, но в данном случае ситуация осложняется следующим обстоятельством : мощность, выделяемая в таких цепях, пропорциональна их переключательной активности. К сожалению, данная информация, как правило, не доступна PCB дизайнеру. Впрочем, ее можно задавать интерактивно ( как, например, [3] ).

Для расчета мощности, выделяемой в сигнальных цепях, необходимо также учитывать результаты электрического моделирования – форму фронта распространяющегося сигнала. Соответственно, возникает обратная связь с электрическим анализом, аналогично п.1

Литература

1.      ANSYS Icepak, http://www.ansys.com/products/icepak/default.asp

2.      Moore, Gordon E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits Electronics Magazine. Retrieved on November 11, 2006.

3.      Hyperlynx © PCB Thermal Design, Simulation and Analysis http://www.mentor.com/products/pcb-system-design/circuit-simulation/hyperlynx-thermal/