Neuer Service: Wärmeexpertise von GED

Neuer Service: Wärmeexpertise von GED

Zu praktisch jeder Elektronikentwicklung gehört ein adäquates Wärmemanagement. Wird dieser Punkt unterschätzt oder zu spät erkannt, drohen aufwändiges Nacharbeiten, Verzögerungen und zusätzliche Kosten. GED hat daher einen umfassenden und effizienten Service rund um die Berechnung und Simulation der Wärmeentwicklung elektronischer Schaltungen aufgebaut.

Für jede elektrische Baugruppe und jedes elektrische Betriebsmittel gibt es einen bestimmten Temperaturbereich, in dem ihre Funktionalität gewährleistet ist. Der untere Grenzwert kann immer – eine ausreichende Energieversorgung vorausgesetzt – durch Heizung einfach garantiert werden. Alternativ lässt er sich mit einer ausreichenden Isolation gegenüber einer kalten Umgebung durch die eigene Verlustwärme der Baugruppe bzw. des Betriebsmittels einhalten. Eben diese Verlustwärme bereitet jedoch Probleme, sollte der obere Grenzwert erreicht werden. Gegenüber einer Heizung, die verschiedene Energieformen in die Energieform Wärme wandelt, existiert kein Effekt, der Wärme in eine andere Energieform umwandeln und somit unschädlich machen könnte. Lediglich der eigenständige Wärmetransport von warm nach kalt sowie der Wärmetransport von kalt nach warm unter Zuhilfenahme von zusätzlicher Energie sind möglich. Letztere Lösung wird aber nur selten in der Elektronikkühlung eingesetzt. Es wird also in fast allen Fällen der Analyse von Elektronikkühlung der Wärmetransport von warm nach kalt betrachtet. Dieser besteht aus einer Wärmequelle, einem Wärmepfad und einer Wärmesenke, bestehend aus einer fixen Umgebungstemperatur.

Daher ist zunächst von großer Bedeutung, wie stark die Wärmequelle in der zu untersuchenden Baugruppe überhaupt ist. Da zumeist elektrische Verlusteffekte auftreten, kann eine Netzwerkanalyse mit Berechnung der Verlustleistungen diesen Wert bzw. diese Werte liefern.

Lineare Netzwerke lassen sich meist mit überschaubarem Aufwand analytisch hinsichtlich ihrer Verlustleistung bestimmen. Nichtlineare – zu denen fast alle modernen leistungselektronischen Schaltungen zählen – bedürfen einer Simulation in einem numerischen Softwaretool bzw. einer Simulationssoftware. Am Markt erhältlich und bei GED eingesetzt sind grafische SPICE-Simulatoren, die die gängigsten Bauteilmodelle beinhalten bzw. in die sich Modelle spezifischer Bauteile meist problemlos einpflegen lassen.

Da elektrische Bauteile meist stark temperaturabhängige Eigenschaften besitzen, die wiederum ihre Verlustleistung und letztlich auch ihre Erwärmung beeinflussen, ist es möglich und notwendig das Temperaturverhalten der Bauteile in der numerischen Simulation zu berücksichtigen. Jedes Bauteilmodell besitzt gekoppelte elektrische und thermische Eigenschaften sowie Anschlüsse für das elektrische Netzwerk wie ein thermisches Entwärmungsnetzwerk. Dies ist ein grober Ansatz, da das Entwärmungsnetzwerk nur eindimensional gestaltet werden kann; es ist aber ein gutes Instrument, um die Stabilität einer Schaltung zu untersuchen. Beispielsweise ist der RdsOn eines MOSFETs stark temperaturabhängig; in einem stromgetriebenen Regime kann dies fatal sein; ein mit der Temperatur steigender RdsOn hat eine höhere Verlustleistung zur Folge, damit eine steigende Temperatur und einen wiederum höheren RdsOn.

Berechnung und Simulation eindimensionaler Wärmepfade

Wärmetransport und elektrischer Strom weisen viele Analogien auf; mit Ausnahme der Induktivität existiert für jedes Grundbauelement der Elektrotechnik ein thermisches Pendant: Die Stromquelle wird zur Wärmequelle, die Spannungsquelle zur fixen Umgebungstemperatur bzw. Wärmesenke, der Widerstand zum Wärmewiderstand und die Kapazität zur Wärmekapazität.

Mit diesen Grundbauelementen lassen sich einfache Wärmepfade – zum Beispiel die Anordnung Die??-Bauteilgehäuse-Kühlkörper-Umgebung- analysieren. Bei Verwendung eines numerischen Simulations-programms können auch komplexe Lastverläufe betrachtet werden.

Abbildung Eindimensionaler Wärmepfad in der Simulation
Abbildung 1: Eindimensionaler Wärmepfad in der Simulation

Der Effekt der Wärmestrahlung ist nichtlinear; dieser lässt sich letztlich nur mit numerisch arbeitenden Softwaretools als nichtlinearer Wärmewiderstand berechnen.

Simulation von Wärmepfaden auf Baugruppenebene

Für die bisher genannten Berechnungsverfahren ist eine mitunter komplexe Modellbildung Voraus-setzung. GED verfügt jedoch über ein Softwaretool, das aus Fertigungsdaten selbsttätig ein Wärmemodell einer Baugruppe generiert. Gegenüber aufwändigen 3D-Strömungssimulationstools wird die Berechnung der physikalischen Effekte einfach und effizient modelliert. Es handelt sich um ein konservatives Berechnungsverfahren; berechnete Temperaturerhöhungen fallen in der Simulation größer aus als in der Realität. Dies bedeutet eine Berechnung auf der sicheren Seite. Diese ist für eine erste Einschätzung der Erwärmung einer Baugruppe im Betrieb ausreichend.

Die Software betrachtet die Erwärmung der Leiterplatte durch die Leitungsverluste im Kupfer sowie den Wärmeeintrag durch Bauteile. Lastverläufe können allerdings nicht simuliert werden; die Ströme werden als Gleichströme betrachtet. Für eine Berechnung müssen daher die Effektivwerte der Ströme bekannt sein. Da das Programm in jedem bestromten Netz eine Stromsumme 0 verlangt, ist abzuwägen, welche Ströme in der Simulation eingestellt werden, da Effektivwerte von Wechselströmen in einem Netz zumeist nicht die Summe 0 besitzen.

Grundlage für die thermische Simulation bildet eine Stromdichtesimulation im Leitungskupfer. Diese allein bietet schon Hinweise darauf, wie das Design angepasst werden kann, um Flächen und Leiterbahnen optimal auszulegen. Die einfache Datenübernahme aus allen gängigen Layoutprogrammen bietet hier die Möglichkeit, Optimierungsschleifen schnell zu durchlaufen.

Abbildung Ergebnis der Stromdichteberechnung an einem Testlayout
Abbildung 2: Ergebnis der Stromdichteberechnung an einem Testlayout

 

Abbildung Ergebnis der Temperaturberechnung an einem Testlayout
Abbildung 3: Ergebnis der Temperaturberechnung an einem Testlayout

 

Berechnet wird der stationäre thermische Zustand der Baugruppe, also nach Abklingen aller Ausgleichsvorgänge. Hier wird die Wärmeleistung je Flächenelement auf der Baugruppe gegen eine Wärmeabfuhrkonstante mit der Dimension W/m²K gerechnet. Ein Berechnungstool in der Software ermöglicht eine Bestimmung dieses Wertes für die gängigsten Einbausituationen von Baugruppen.

Wenn auch absolute Temperaturen nicht berechnet werden können, ist es möglich, Hotspots auf der Baugruppe auszumachen und so das Design entsprechend anzupassen – sei es durch die Veränderung des Leiterbildes, des Lagenaufbaus oder der Bauteilanordnung.

In Abbildung 2 ist in Punkt 1 eine Engstelle in der Stromdichteverteilung erkennbar, die aber wie in Abbildung 3 erkennbar nicht zu einer starken Temperaturerhöhung führt. In Abbildung 3 an Punkt 2 ist eine starke Temperaturerhöhung zu beobachten. Sie ist hauptsächlich der vergleichsweise schlechten thermischen Anbindung des Leistungstransistors an dieser Stelle geschuldet. Niedrigere Spitzentemperaturen und eine bessere Wärmespreizung ist an Punkt 3 in Abbildung 3 zu sehen; hier ist der Leistungstransistor vollflächig angebunden und in den Innenlagen viel Kupfer vorhanden.

Dies sind einfache Beispiele an einem speziell erstellten Testlayout, in dem Effekte durch das Design provoziert werden. Aber auch für die meisten anderen Layouts verfügt GED über moderne, ausgefeilte Tools, um Engstellen und Hotspots auszumachen und um Möglichkeiten zur Abhilfe aufzuzeigen. Damit kann GED seine Kunden auch in Sachen Wärmemanagement bereits während der Entwicklung frühzeitig und umfassend unterstützen. Möglichen Fehler, die sich später nur aufwändig beheben lassen, werden vom Start weg vermieden – schnell und ohne großen Aufwand.

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Simulationstools zur Analyse der Power-Integrität

Simulationstools zur Analyse der Power-Integrität

Verbesserung des EMV-Verhaltens und Erhöhung der Zuverlässigkeit von Leiterplatten

Lowpower-Anwendungen wie IoT und Wearable oder Highspeed-Anwendungen wie in Embedded-Systemen mit hohen Taktraten arbeiten häufig mit stark reduzierten Versorgungsspannungen. Damit ist der Spannungsabfall im System eine nicht mehr zu vernachlässigende Größe.
Zur Analyse der Stromdichteverteilung, des Spannungsabfalls und der Kupfererwärmung nutzt GED zwei unterschiedliche Simulationstools, das HyperLyxnx PI (Power Integrity) und seit neuestem das Physics-Tool von EasyLogix. Steigende Integrationsdichten, höhere Taktraten und neue Bus- und Bauteilegenerationen erfordern den Einsatz derartiger Simulationswerkzeuge. Die Einsatzgebiete sind vielfältig:

  • Optimierung des Powersystems auf der PCB = Verbesserung der EMV-Festigkeit
  • Homogene Powerplanes verbessern die HF-Rückstrompfade
  • Neue FPGA- und CPU-Bauteile benötigen ein optimales PDN-System
  • Highspeed-Elektronik mit hohen Taktraten erzeugt große Lastwechsel im PDN
  • Leistungselektronik benötigt möglichst verlustarme Verbindungen
  • Serienprodukte müssen möglichst kostenoptimiert sein = weniger Kupfer
  • Alle Systeme müssen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen

Grafik SpannungsabfallDie Grafik links macht deutlich, dass bei niedrigen Versorgungsspannungen und hohen Strömen der Spannungsabfall nicht vernachlässigbar ist. Die PI-Analyse ermöglicht einen genauen Einblick in das Stromversorgungsnetz einer Leiterplatte.

Aufgrund der inzwischen sehr niedrigen Versorgungsspannungen in PCB-Systemen hat der Entwickler keinen Spielraum mehr, unzulässige DC-Spannungsabfälle im Stromversorgungsnetz zu tolerieren. Um die nötige Leistungsintegrität (kurz PI oder Power Integrity) sicherzustellen, sind spezielle Tools erforderlich. Der Leiterplatten-Designer braucht den sicheren Einblick in das Energieversorgungssystem der Platine (PDN, Power Delivery Network). Für jeden Vcc-Pin muss die Versorgung im Betrieb auch bei hohen Taktraten gewährleistet sein. Per Softwaretool lassen sich der statische DC-Spannungsabfall (IR-Drop) und das dynamische Verhalten des Stromversorgungssystems analysieren.

Auch unter EMV- und Kostenaspekten ist es sehr wichtig, dass alle Baugruppen auf einer Leiterplatte ausreichend mit Strom versorgt werden, ohne dass zusätzliche Lagen oder eine größere Fläche auf der Leiterplatte nötig sind.

Mit den neuen Simulations- und Analysetools kann der Designer sicher stellen, dass die Leiterplatte überall genügend Kupfer zwischen der Stromquelle und allen Lasten aufweist, um eine ausreichende Energieversorgung für alle Lastfälle gewährleisten zu können.

Mentor Graphics Video zur Funktion von HyperLynx PI  (6 Min.): Link

Ohmscher Effekt der Verlustleistung

Ist der Spannungsabfall über einen Zuführungspfad (Leiterbahn oder Fläche) aufgrund eines zu geringen Kupferquerschnitts zu groß, wird die am Bauteil anliegende Spannung zu klein. Dies führt dann oft zur Fehlfunktion des Bauteils.

Auch Engstellen von Leiterzügen, oft auch in flächigen Verbindungen, erzeugen Verluste in Form von Wärme. Beide Gründe führen bei nicht ausreichendem Querschnitt zur weiteren Erwärmung des Kupfers, wodurch der Widerstand der Verbindung steigt. Zusätzlich können jetzt die Leiterbahnen auch die Bauteile mit erwärmen, was dann automatisch zur thermischen Überlastung führt, bei großen Strömen auch zur Zerstörung der Leiter oder Bauteile.

Grafik_HyperLynx

Das HyperLynx-Tool bietet schnelle Simulationsergebnisse und eine verzögerungsfreie 3D-Anscht, selbst bei komplexen Leiterplatten.

Solche Schwachstellen von Verbindungen oder Einschnürungen auf Plane-Lagen lassen sich auf der bestückten Baugruppe nur mittels Thermografie auffinden. GED verfügt dafür über eine hochauflösende Thermografie-Kamera von FLIR. Im Vergleich stimmen Simulation und Thermografie der bestückten Baugruppe im Bereich von +/- 10 % überein.

Schwierig bis unmöglich wird die Überprüfung mittels Thermaografie jedoch, wenn die potenzielle Schwachstelle von Bauteilen verdeckt wird, was bei höher integrierten Schaltungen eher die Regel ist. Deshalb wird es unabdingbar, die Analyse bereits vor der Fertigstellung vorzunehmen. Ansonsten sind aufwändige Fehlersuchen und Redesigns die Folge.

Thermal- und DC-Drop-Simulation mit PCBi-Physics

Das Tool „Physics“ von EasyLogix bietet neben der Möglichkeit der thermischen Simulation des Leiterplattendesigns auch DC-Drop-Analysen beziehungsweise Stromdichtenanalyse. Basis für die „Physics Engine“ ist die Spezialsoftware TRM (Thermal Risk Managment) von Adam Research. Damit lassen sich Multilayer Boards, SMD-Wärmequellen, eingebettete Bauteile, Pins, Stromschienen und verschiedene Arten von Durchkontaktierungen simulieren.

Durch Angabe von Quelle und Senke (z. B. Bauteilpin) sowie Eingabe der Stromstärke kann beispielsweise an einer unterschiedlich breiten Leiterbahn die Stromdichte im jeweiligen Leiterbahnpunkt simuliert werden. Anhand einer grafischen Darstellung werden so die Engstellen sichtbar, die zu verbessern sind.

Da die Temperaturverteilung (Entwärmung) einer Leiterplatte von vielen Faktoren abhängen kann, wie etwa von der Kupferverteilung auf benachbarten Lagen oder aber die Entwärmung durch ein Gehäuse, ist oft nur eine Aussage über die Qualität der Leiterbahnführung möglich. Dies kann jedoch entscheidend dazu beitragen, kritische Engstellen zu lokalisieren und vor allem vor der Produktion der Leiterplatte zu beseitigen. So kann mit überschaubrem Aufwand bereits in der Entwicklungsphase der Leiterplatte eine schrittweise Optimierung des Designs erfolgen – noch vor der Fertigung von Prototypen.

Auf dieser Abbildung sieht man die erhöhte Stromdichte an Einschnürungen der Kupferfläche:

Grafik Einschnürungen Kupferdichte

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eine weiteres, sehr interessantes Einsatzgebiet ist die Funktion zur Kostenoptimierung der Leiterplatte bei Dickkupferanwendungen für Leistungselektronik. Mit Vergleichssimulationen lässt sich mögliches Kosteneinsparungs-Potenzial ermitteln. Hat die Leiterplatte z. B. eine Kupferdicke von 200µm kann man mit einem Simulationslauf mit reduziertem 105µm Kupfer ermitteln, ob die zulässige Erwärmung damit noch erreichbar ist. Die Simulation kann also Einsparmöglichkeiten bezogen auf Rohstoff, Platz und Kosten aufzeigen.

GED bietet als Service zum Leiterplatten- und Systemdesign die Analyse der Powerintegrity mit Physics und HyperLynx PI. Hier bestehen Importmöglichkeiten aus allen gängigen CAD-Tools wie Zuken, Cadance oder Altium. 

EasyLogix verwendet Gerberdaten oder ODB+ Daten.

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PCIM Europe 2015 vom 19. – 21. 05. 2015 in Nürnberg

Der GED Stand auf der Messe PCIM 2014

GED auf der PCIM 2015

Auf der PCIM ist GED auch in diesem Jahr wieder auf dem Gemeinschaftsstand des ECPE e.V. (European Center for Power Electronics) vertreten: Halle 6, Stand 229.

GED zeigt hier neueste Lösungen für die Leistungselektronik:

  • “3D-Systemintegration” für effiziente Leistungselektronik
  • neues Schaltungskonzept für das Powermanagement von Sensorsystemen
  • stromsparende Konzepte in komplexen Systemen, mit Power Monitoring
  • Entwärmungskonzepte für lüfterlose Elektronik
  • Schaltungs- und Kostenoptimierung von Leistungselektronik für Großserien

Gerne schicken wir Ihnen einen Gutschein für eine Eintrittskarte. Bitte senden Sie uns einfach ein E-Mail mit dem Betreff “Eintrittskarte PCIM Europe 2015”.

Wir freuen uns auf Ihren Besuch!

Hanno Platz, Geschäftsleitung

 

Die Messe PCIM Europe 2015, Nürnberg, ist die führende Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik, Intelligente Antriebstechnik, Erneuerbare Energie und Energiemanagement. Mehr als 400 Aussteller präsentieren ihre Produkte, Dienstleistungen, die neuesten Trends und Entwicklungen sowie aktuelle Problemlösungen – von A wie Antriebstechnik bis Z wie Zwischenkreiskondensator.

Bereits am Sonntag, den 17.5., startet das Konferenzprogramm der PCIM mit Fachseminaren und Tutorials. In mehr als 40 Vorträgen im Forum sowie in der begleitenden Konferenz der Messe werden neueste Forschungsergebnisse und praxisorientierte Lösungen aus der Leistungselektronik, intelligenten Antriebstechnik und Power Quality präsentiert.

Stichwort Konferenz: Parallel zur Messe findet die international renommierte anwenderorientierte PCIM Europe Konferenz zum Thema Leistungselektronik statt. Im Vordergrund stehen Zukunftsaspekte wie regenerative Energiegewinnung, Elektromobilität und Energiemanagement. >Mehr

Internationale Spitzenreferenten sorgen für ein hochkarätiges Seminarprogramm. So referiert am Sonntag Bruce Carsten, Bruce Carsten Associates Inc., Corvallis OR, USA, zu “Physical Limitations to Magnetics Power and Energy Densities, with Design approaches to Maximization”.  Während der Messe halten dann Top-Spezialisten aus aller Welt Keynote-Vorträge zu vielen interessanten Themen wie SiC (Silizium Carbit), Zuverlässigkeit oder Power Electronics in Automotive, Traction and Aerospace.

Schwerpunkte sind in diesem Jahr:

  • Die grüne Elektronik
  • Effiziente Leistungselektronik der Zukunft
  • Silikonfolien “ernten” Strom aus Meereswellen
  • Energiespeicherstudie zu Lithium Batterien
  • Diskussion über IGBT-Modulstandards
  • Antriebstechnik

Und natürlich gibt es Informationen zu neue Produkten und weiteren Themen wie 3000 Farad Supercaps und viele andere: >Mehr zur PCIM 2015.

 

Mehr über das GED Portfolio für Leistungselektronik und Hochstrom erfahren Sie direkt bei uns!

Telefon: +49 (0) 2247 9219-0

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