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          PCB設計的優(yōu)化服務(wù)

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          首頁(yè)  技術(shù)支持  資料中心PCB設計的優(yōu)化

          PCB設計的優(yōu)化

          發(fā)布時(shí)間:2016-08-15 08:12:40 分類(lèi):資料中心

           為了滿(mǎn)足日益增加的PCB設計要求,不少設計工程師感到壓力頗重。每一類(lèi)新的設計都伴隨著(zhù)性能和可靠性方面的失效風(fēng)險。設計過(guò)程中大的問(wèn)題是如何在散熱方案和信號完整性中進(jìn)行取舍。連接元件的高速時(shí)鐘速度需要緊密的靠近,以便確保不出現信號衰減。但是這類(lèi)元件還是無(wú)法避免的有很多耗散熱,因此它們之間應盡可能的遠離,從而有助于降低它們的溫度。


          本文描述了如何應用熱仿真對PCB板散熱性能進(jìn)行優(yōu)化設計。這一PCB板是通過(guò)楔形裝置緊鎖在機箱內,并且對機箱外部的散熱器翅片進(jìn)行強迫風(fēng)冷。在一些惡劣的環(huán)境條件下,根據局部環(huán)境空氣溫度并且以導熱為主要散熱方式,如何實(shí)現正常的元件結溫成了一大難題。 

          初平面布置方案

          圖1顯示了初的平面布置。外部受到強迫風(fēng)冷的機箱可以使PCB楔形緊鎖裝置處獲得35 ºC的溫度。局部空氣溫度為75 ºC。盡管所有的元件都有熱耗散,但是微處理器和內存是整個(gè)PCB板上熱耗散的主要組成部分。

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          圖1 初始平面布置和重要元件及楔形緊鎖裝置

          設計目標和限制

          有很多種方法可以進(jìn)行布局的熱設計,但是它們都遵從一個(gè)原則,那就是如何迅速、方便的將芯片內的熱量傳遞至室外環(huán)境中。在這一例子中,我們使用Flomerics的Flotherm軟件通過(guò)仿真計算對兩種有助于排除熱量的改進(jìn)方法進(jìn)行數值模擬。

          首先,以不同相互間距離將內存和微處理器遠離,這里我們保持內存位置不變。這樣做有兩方面的好處,一是移動(dòng)了處理器的位置,減少了它對內存的熱影響。另外,處理器的位置更靠近楔形緊鎖裝置可以獲得更低的溫度。

          其次,對內存和微處理器下部的陣列熱過(guò)孔的影響進(jìn)行了計算。圖2中對熱過(guò)孔進(jìn)行了放大顯示。熱過(guò)孔有助于熱量進(jìn)入到PCB板的內部金屬層,特別是那些幾乎布滿(mǎn)整個(gè)PCB板的電源層和地層,在這些層上熱量可以迅速的傳遞到邊緣的楔形緊鎖裝置。如果沒(méi)有這些熱過(guò)孔的存在,那么在微處理器和楔形緊鎖裝置中存在很大的熱阻,這主要是因為PCB板頂部的信號層熱阻很大。

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          圖2 內存和微處理器遠離以及熱過(guò)孔陣列

          這一類(lèi)新設計的PCB板采用GHz的信號頻率和百億分之一秒信號上升時(shí)間來(lái)進(jìn)行工作。由于這類(lèi)上升時(shí)間與波長(cháng)具有相同的狀態(tài),所以關(guān)鍵信號的衰減可能大為增加。因此內存和微處理器之間的距離又應盡可能的短,在這一例子中不應超過(guò)11mm。

          微處理器(封裝形式為T(mén)BGA)的大額定結溫是100 ºC。盡管元件供應商提供了一些表征熱性能的數據 (例如:芯片結點(diǎn)和環(huán)境之間的熱阻),但是這些數據僅僅適用于一些特定的場(chǎng)合。對于這類(lèi)既復雜又存在元件之間相互熱影響的實(shí)際設計而言,為可靠的熱設計方法只能是對整個(gè)PCB板組件進(jìn)行3D的數值仿真。 

          熱仿真

          然而,傳統的仿真方法只是集中于單一的研究,僅僅提供一個(gè)可行或不可行的結論。優(yōu)秀的數值仿真應該可以研究設計發(fā)生變化之后,會(huì )對散熱性能產(chǎn)生何種影響。這就有助于設計工程師確定設計優(yōu)化的參數,從而實(shí)現整個(gè)設計目標。

          這可以通過(guò)建立和模擬一個(gè)設計實(shí)驗(DoE)來(lái)完成。使用這一方法首先需要確定設計變量。在這一例子中,這些變量是內存和微處理器之間的距離和這些元件下方熱過(guò)孔的陣列密度。以所有20個(gè)仿真方案為基礎,將這兩個(gè)變化參數的不同組合和相應微處理器的大結溫生成一張3D圖。 

          圖3顯示了兩個(gè)極端的DoE設計方案,方案1是元件下沒(méi)有熱過(guò)孔以及微處理器和內存非常接近,方案2是四個(gè)元件下均有稠密的熱過(guò)孔以及微處理器位置非常接近楔形緊鎖裝置。

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          圖3 差和優(yōu)的方案設計結果

          響應面

          20個(gè)仿真方案結果使我們對這些方案的散熱性能有了直觀(guān)的了解,例如,圖3中所顯示的優(yōu)和差方案的結溫。然而,可以通過(guò)使用20個(gè)仿真方案結果數據進(jìn)行 “響應面”擬合,從而獲得更為直觀(guān)和完整的3D結果圖形。這種響應面擬合是非常先進(jìn)的曲線(xiàn)擬合。它將兩個(gè)設計參數的交叉作用對結溫(圖4)的影響完美的結合起來(lái),給人一種直觀(guān)、清晰的觀(guān)察視角。

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          圖4 結溫和設計參數之間的響應面

          注意:元件下部的熱過(guò)孔作用通過(guò)熱導率的形式進(jìn)行量化。0.3 W/mK (FR4熱導率)表明元件下部有稠密的熱過(guò)孔陣列。

          圖4的響應面3D圖充分表明內存和微處理器之間的距離越大,則處理器的結溫越低。此外,在一個(gè)比較小的范圍內熱過(guò)孔密度對結溫的影響很大。如果不考慮內存和微處理器之間的距離,在熱導率大約0~3 W/mK范圍內,少量的熱過(guò)孔密度增加就可以獲得顯著(zhù)的散熱效果。之后再進(jìn)一步增加元件下熱過(guò)孔的陣列密度只有少量的獲益。

          使用圖5可以獲得一個(gè)更為量化的圖表。其中顯示的變量線(xiàn)只是圖4的一部分,以熱過(guò)孔的陣列密度為變量線(xiàn)。元件之間距離和大結溫的限制,在圖中以黑色直線(xiàn)區域所表示。通過(guò)觀(guān)察允許設計范圍內的響應曲線(xiàn),很明顯通過(guò)大化元件下熱過(guò)孔的數目,可以使整個(gè)設計具有一定的余量。

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          圖5 表征設計限制的響應面區域

          結論

          通過(guò)使用設計實(shí)驗(Design of Experiments)功能,完成了大量的數值仿真,之后通過(guò)仿真結果創(chuàng )建了響應面3D圖,從而對設計目的隨設計變量響應有了一個(gè)直觀(guān)的了解。這有助于快速地確定設計中的折衷方案,并且可以小化后期由于缺乏設計目的與設計變量之間響應關(guān)系所造成的散熱風(fēng)險。

          本文所介紹的這一例子描述了兩個(gè)獨立變量共同作用對散熱性能的影響。事實(shí)上,這一仿真方法可以應用到任意數量的設計變量中。舉例,正如兩個(gè)微處理器與楔形緊鎖裝置之間的距離是變量一樣,內存和楔形緊鎖裝置之間的距離也可以作為設計變量。在現實(shí)中,仿真研究的優(yōu)化限制范圍由設計工程師以及計算可用的資源和時(shí)間所確定。

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