Российские ученые из МИЭМ ВШЭ разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно рассчитывать, как нагреваются электронные компоненты во время работы, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку. Результаты работы опубликованы в журнале Russian Microelectronics.
При работе электродвигателей или другого оборудования их электронные детали (особенно транзисторы) сильно нагреваются, потому что при прохождении тока неизбежно выделяется тепло. Когда происходят резкие перепады температуры при включении и выключении устройства, параметры транзисторов меняются, и техника может выйти из строя.
Чтобы этого избежать, важно уметь прогнозировать, как именно будет нагреваться и остывать электронный компонент в реальных условиях работы. Это позволяет правильно спроектировать устройство, условия охлаждения компонентов, снизить нагрузку на элементы и продлить срок службы техники.
Сегодня для прогнозирования перегрева техники инженеры используют два основных подхода. Первый — подробное численное 3D-моделирование тепловых процессов на основе пакетов ANSYS, Flotherm, Comsol и других. Такой метод обеспечивает высокую точность, но требует значительных вычислительных ресурсов и времени. Второй — расчет в SPICE-симуляторах с упрощенными тепловыми моделями компонентов и условий охлаждения. Он выполняется быстрее, но требует затрат времени на формирование электротепловых моделей и не всегда учитывает реальные особенности конструкции печатной платы и системы охлаждения.
Ученые предложили объединить преимущества обоих методов. Они создали многоуровневую автоматизированную систему, в которой пакет Comsol используется для моделирования полупроводниковых приборов вместе с корпусами и уточнения тепловых моделей корпусов компонентов, SPICE — для анализа электрической схемы, содержащей описания электрической и тепловой частей, а «АСОНИКА-ТМ» — для моделирования нагрева печатной платы и расчета температур компонентов. Дополнительно они разработали специальные программные инструменты, которые автоматизируют расчет мощностей компонентов и передают данные о температурах компонентов между различными модулями расчета. То есть они связали разрозненное программное обеспечение между собой дополнительными модулями, чтобы ускорить расчеты. В итоге скорость формирования электротепловых моделей мощных компонентов для расчетов электротепловых процессов выросла в 5–10 раз по сравнению с ручным формированием электротепловых схем.
Новую методику сотрудники МИЭМ ВШЭ протестировали на реальной печатной плате драйвера для управления шаговым двигателем. Это устройство, которое заставляет двигатель вращаться с нужной скоростью. На этой плате установлены мощные MOSFET-транзисторы, которые сильно нагреваются при работе. Результаты моделирования тепловых режимов схемы сравнили с данными тепловизионных измерений, и они были близки.
«Мы убедились на практике, что наши расчеты близки к реальным тепловизионным измерениям. Это значит, что методика работает корректно и может применяться в реальных инженерных задачах», — заключил один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ Игорь Харитонов.
По его словам, раньше подобные расчеты требовали длительной ручной настройки и значительных затрат времени.
«Теперь мы можем примерно в 5–10 раз быстрее прогнозировать момент перегрева платы, оперативно корректировать конструкцию и условия охлаждения и при этом снижать стоимость разработки», — подчеркнул Игорь Харитонов.
Новая методика позволяет инженерам быстрее находить слабые места в конструкции, корректировать системы охлаждения и повышать надежность техники. Это особенно важно для промышленного оборудования, силовой электроники, транспорта и других систем, где отказ компонентов может привести к серьезным последствиям.
Исследование выполнено в рамках проекта НИУ ВШЭ «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность» программы «Приоритет-2030».