Warum Sie thermisches Prototyping anstelle von Simulationen verwenden sollten

Von allen potenziellen Problemen mit einem Design sind thermische Herausforderungen oft am schwierigsten vorherzusagen. Es ist auch so, dass man ein Problem mit der thermischen Verwaltung oft erst bemerkt, wenn man bereits Prototypen erstellt und mit dem Testen begonnen hat. Zu diesem Zeitpunkt muss das mechanische Team ein Gehäuse modifizieren, Kühlmechanismen einbeziehen und möglicherweise viele Spezifikationen in einem Produkt ändern. Es ist zu spät im Entwicklungsprozess, Spezifikationen zu ändern, nachdem ein thermisches Problem entstanden ist.

Was ist die Lösung für all das? Die meisten EDA-Anbieter werden eine thermische Simulationsanwendung empfehlen und dann versuchen, Ihnen eine zusätzliche Lizenz zu verkaufen. Wir sind nicht hier, um Ihnen zu sagen, dass thermische Simulationsanwendungen schlecht sind, aber es gibt eine kleine Menge an risikoarmer Arbeit, die vor der Erstellung Ihres PCB-Designs erledigt werden kann. Hier sollten Sie einen thermischen Prototypen bauen, und dies sollten Sie tun, bevor Sie irgendwelche thermischen Simulationen an Ihrem idealisierten Produkt durchführen.

Was ist ein thermischer Prototyp PCB?

Thermische Prototypen sind einfache Test-PCBs, die es Ihnen ermöglichen, thermische Managementprobleme auf Ihrer PCB zu identifizieren, bevor Sie ein komplettes elektrisches und mechanisches Design abschließen. Einige Komponenten und Schaltkreise werden untersucht, indem man eine einfache Prototypenplatine baut, die auf den vorgesehenen Leistungsstufen des Schaltkreises betrieben wird, und somit können seine thermischen Anforderungen aus Messungen bestimmt werden. Sie werden in der Lage sein, echte Einblicke mit tatsächlichen Daten von Ihrer PCB zu gewinnen, anstatt sich auf Simulationsdaten zu verlassen.

Der andere Ansatz für thermische Prototypen ist die Simulation, aber das ist nicht immer der beste Weg nach vorne. Aber was genau ist das Problem mit thermischen Simulationen?

Eigentlich gibt es nichts Falsches daran, Simulationen zu verwenden, das Problem ist, dass diese Anwendungen komplex und teuer sind. Einige thermische Simulationsanwendungen erfordern PhD-Niveau Wissen und Fähigkeiten, um sie zu konfigurieren und einigermaßen genaue Ergebnisse zu gewährleisten. Sie erfordern auch viele Eingaben in das Simulationsmodell, die oft auf groben Schätzungen basieren. Dann gibt es noch die Kosten der Simulationssoftware: Benutzerfreundliche Software kommt in der Regel mit dem höchsten Preisschild.

Offensichtlich kann all dies thermische Simulationsanwendungen für die meisten Designer unzugänglich machen. Stattdessen sollten Sie erwägen, kleine Testplatinen zu bauen, die Sie in Bezug auf Leistungsanforderungen und thermische Handhabung an die Grenze bringen können. Zum Beispiel können Sie thermische Prototypen verwenden, um:

• Erhalten Sie direkte Temperaturmessungen in Leistungselektronikschaltungen
• Experimentieren Sie mit verschiedenen Komponenten in Testkreisen
• Probieren Sie eine Stackup-Option mit Ihrem Testkreis aus
• Integrieren Sie den thermischen Prototyp mit einem Entwicklungsboard oder einem Evaluierungskit

Welche Arten von Schaltungen sollten in einem thermischen Prototyp verwendet werden? Ich denke, es gibt einige gute Beispiele für Schaltungen, die einen thermischen Prototyp verdienen:

• Schaltnetzteile, insbesondere Schaltungen, die diskrete Gate-Treiber
• enthalten. Schaltungen mit Power-MOSFETs, besonders MOSFET-Arrays
• Bestimmte Prozessoren und ASICs
• Temperaturempfindliche Komponenten, wie hochpräzise analoge Schnittstellen, Referenzen usw.
• Einige HF-Komponenten, nämlich Hochfrequenz-Leistungsverstärker

All diese Komponenten können erhebliche Wärme erzeugen, was eine aktive Kühlstrategie erfordern kann. Wenn die Absicht des Designs darin besteht, die Wärme über das Gehäuse oder mit einer anderen passiven Strategie zu managen, dann müssen diese Geräte zusammen mit dem Gehäuse getestet werden, um ein vollständiges Verständnis des Kühlansatzes zu erhalten. Thermische Prototypen bieten die Möglichkeit, beides zu tun, und sie bringen mehrere Vorteile.

Vorteile von thermischen Prototypen

Thermische Prototypen sind aus mehreren Perspektiven sehr nützlich, besonders wenn man die Kosten, den Designaufwand und die Vorab-Bewertung von Komponenten betrachtet.

Geringere Kosten als bei Simulationsanwendungen: Die Kosten für eine Lizenz für eine Simulationsanwendung können sehr hoch sein. Wenn Sie mit einem externen Dienstleister arbeiten, sind dessen Zeit und Lizenzbereitstellung nicht kostenlos. Der Aufbau eines Testboards mit der beabsichtigten Schaltung und Komponenten ermöglicht es Ihnen, schnell das thermische Verhalten zu testen und zu inspizieren, ohne die Kosten und den Aufwand, der mit dem Erstellen von Simulationen verbunden ist.

Bereitstellung eines Simulationsbenchmarks: Daten aus thermischen Prototypen können als Benchmark gegen systemweite Simulationen verwendet werden und als Überprüfung der Simulationsgenauigkeit dienen. Diese Messungen können auch verwendet werden, um viel genauere Parameterschätzungen für die Verwendung in thermischen Simulationsmodellen zu erhalten. Sobald Sie bereit sind, mit aktiven Kühlstrategien (wie erzwungener Luftstrom) zu experimentieren, werden Simulationen eine viel bessere Übereinstimmung mit der Realität haben, da sie auf realen thermischen Testdaten basieren.

Niedriges IP-Risiko: Am Ende des Tages werden thermische Prototypen Wegwerfplatinen sein und wahrscheinlich nach dem thermischen Testen kein zweites Mal gebaut. Das bedeutet, Ihr Anreiz besteht darin, diese so kostengünstig wie möglich zu bauen, was Sie zu einer Prototypenherstellung im Ausland führen könnte. Diese Platinen sind im Allgemeinen sehr risikoarm, da sie selten das systemweite Design widerspiegeln, das Sie implementieren möchten.

Ansätze mit niedrigem Designrisiko: Thermische Prototypen werden oft gebaut, weil Sie die Funktion und die thermischen Anforderungen einer benutzerdefinierten Schaltung qualifizieren möchten. Wenn Sie jedoch eine Komponente im Allgemeinen qualifizieren möchten, können Sie immer das thermische Prototypen-Board basierend auf dem Anwendungsschaltkreis der Komponente bauen. Schauen Sie in das Datenblatt der Komponente und replizieren Sie den Anwendungsschaltkreis für einen risikoarmen Weg nach vorne.

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