シミュレーションの代わりに熱プロトタイピングを使用すべき理由

設計における潜在的な問題の中で、熱的な課題は予測が最も難しいものの一つです。また、熱管理の問題に気づくのは、既にプロトタイプを作成し、テストを開始した後のことが多いです。その時点で、機械設計チームはエンクロージャーの変更、冷却機構の追加、製品の多くの仕様の変更を行う必要があります。熱問題が発生した後で仕様を変更するには遅すぎます。

これらの問題に対する解決策は何でしょうか？ほとんどのEDAベンダーは熱シミュレーションアプリケーションを推奨し、その後で追加のライセンスを販売しようとします。熱シミュレーションアプリケーションが悪いと言っているわけではありませんが、PCB設計を行う前に、低リスクで行える少量の作業があります。ここで熱プロトタイプを作成し、理想化された製品に対して熱シミュレーションを実行する前にこれを行うべきです。

熱プロトタイプPCBとは何ですか？

熱プロトタイプは、完全な電気および機械設計を仕上げる前に、PCBの熱管理問題を特定するために使用できるシンプルなテストPCBです。一部のコンポーネントと回路は、回路の想定される電力レベルで動作するシンプルなプロトタイプボードを構築することによって検討され、その熱要求は測定から決定することができます。シミュレーションデータに頼るのではなく、PCBからの実際のデータを得ることで、実際の洞察を得ることができます。

熱プロトタイピングのもう一つのアプローチはシミュレーションにありますが、これが常に最善の道であるわけではありません。しかし、熱シミュレーションには具体的に何が問題なのでしょうか？

実際のところ、シミュレーションを使用すること自体に問題はありません。問題は、これらのアプリケーションが複雑で高価であることです。一部の熱シミュレーションアプリケーションは、PhDレベルの知識とスキルを必要とし、比較的正確な結果を保証するために設定します。また、シミュレーションモデルに多くの入力が必要であり、これらはしばしば大まかな推定に基づいて決定されます。そして、シミュレーションソフトウェアのコストがあります：使いやすいソフトウェアは通常、最も高価な価格タグが付いています。

明らかに、これらすべてが熱シミュレーションアプリケーションをほとんどの設計者にとって手の届かないものにしています。代わりに、電力要求と熱処理の限界まで押し上げることができる小さなテストボードを構築することを検討してください。たとえば、熱プロトタイプを使用して次のことができます：

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熱プロトタイプに使用すべき回路の種類は？熱プロトタイピングに値するいくつかの良い例の回路があります：

• 特にゲートドライブ
• を含むスイッチング電源回路、パワーMOSFETを搭載した回路、特にMOSFETアレイ
• 特定のプロセッサやASIC
• 温度に敏感なコンポーネント、例えば高精度アナログインターフェース、リファレンスなど
• 一部のRFコンポーネント、特に高周波数パワーアンプ

これらのコンポーネントは、顕著な熱を発生させる可能性があり、積極的な冷却戦略が必要になる場合があります。設計の意図がエンクロージャを通じて、または別の受動的戦略で熱を管理することである場合、これらのデバイスは冷却アプローチを完全に理解するためにエンクロージャと一緒にテストする必要があります。熱プロトタイプは、その両方を行う機会を提供し、いくつかの利点をもたらします。

熱プロトタイプの利点

熱プロトタイプは、特にコスト、設計労力、およびコンポーネントの事前設計評価の観点から、複数の視点から非常に有用です。

シミュレーションアプリケーションよりも低コスト：シミュレーションアプリケーションのライセンス費用は非常に高いことがあります。外部のコントラクターと作業している場合、そのコントラクターの時間とライセンス提供は無料ではありません。意図した回路とコンポーネントを搭載したテストボードを構築することで、シミュレーションを構築するコストと労力をかけずに、迅速に熱挙動をテストして検査することができます。

シミュレーションのベンチマークを提供：熱プロトタイプからのデータは、システムレベルのシミュレーションと比較するためのベンチマークとして、またシミュレーションの精度をチェックするために使用できます。これらの測定値は、熱シミュレーションモデルで使用するためのはるかに正確なパラメータ推定値を得るためにも使用できます。その後、アクティブ冷却戦略（強制空気流など）を実験する準備ができたら、実際の熱テストデータに基づいているため、シミュレーションは現実とはるかに良い一致を持つことになります。

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低IPリスク：結局のところ、熱プロトタイプは使い捨てのボードになり、熱テスト後に2回目を構築することはおそらくありません。これは、これらをできるだけ安価に構築することがあなたのインセンティブであることを意味し、それはあなたを海外のプロトタイピングに導くかもしれません。これらのボードは、実装したいシステムレベルの設計をめったに反映しないため、一般的に非常に低リスクです。

低リスクの設計アプローチ：熱プロトタイプは、カスタム回路の機能と熱要求を確認しようとする際によく作成されます。しかし、テスト対象のコンポーネントを一般的に資格付けしたい場合は、コンポーネントのアプリケーション回路に基づいて熱プロトタイプボードを常に構築できます。コンポーネントのデータシートを見て、低リスクの進路としてアプリケーション回路を複製してください。

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