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 PCB – Printed 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 (Moore’s 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 )
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/