使用 3D Layout 和 Icepak 进行 PCB、DCIR 和热分析

在本教程中，您将学习如何使用 3D Layout 执行 DCIR，然后使用功率损耗数据执行热分析。热分析将使用电子桌面 Icepak 进行。SIwave 及其嵌入式 icepak 可用于执行相同的分析，但有一个例外。电子桌面 Icepak 是一款功能齐全的 3D 工具。用户可以添加 3D 对象、风扇、散热器和许多其他项目来进行完整和彻底的分析。

可以使用 3D 布局、HFSS 或 Q3D 为 Icepak 生成数据。DC 分析不能由 HFSS 执行，只能由 3D 布局执行。对于低频应用，使用 Q3D，对于高功率高频应用，使用 HFSS。

	3D 布局	Q3D	HFSS	SIwave
损失	DC 损耗	交流损耗	RF 损耗	DC 损耗
应用	多个 PCB （数据中心 / 服务器 / ）	电源线/汇流条 频率 < 1 MHz 或 小尺寸 （模具）	高功率波导 （地球站 / 卫星 / 雷达） 或 高功率放大器 （无线发射器/光调制器） 或 生物医学植入物 或 微波	单 PCB
冰袋限制	全 3D	全 3D	全 3D	无访问权限

 

本博客重点介绍如何将 3D Layout 与 Icepak 结合使用。对于熟悉 SIwave 的人来说，3D Layout 类似于该程序。您可以在 3D Layout 中查看网络和层。您添加的所有元素都是 2D 的，无论它们是矩形、圆形还是多边形。当您输入形状时，它会自动转换为 3D 模型。

可以将标准 ECAD 文件、IPC2581 文件和 ODB++ 文件导入到 3D Layout 中。

 

此外，用户可以指定要使用的求解器：HFSS、Planar 或 SIwave。更改 Cosim 设置以选择要使用的设置。

 

需要对电路板进行 DCIR 分析。我们想使用 SIwave 来实现此目的。转到 Cosim，将自动解选择更改为 SIwave。

 

选择要包含在模拟中的电源平面。用户需要指定每个 Powerplane 的电压源位置和值，以及每个 Powerplane 的电流吸收位置和值。

 

例如，我们选择 PowerPlane 1.2V，并将电压源放在 VMR 的输出端，为 1.2V 源。

 

查看 Project Manager 中的源，以查看新添加的电压源。

 

双击电压，并将电压设置为 1.2 伏。

在 CPU 上，我们增加了大约 2.4A 的电流吸收。如果负载有很多引脚，我们需要将它们合并为一组。通过单击选择引脚组。

 

 

选择器件名称、参考标号，然后选择连接到此元件的网络。单击 Create pin groups（创建 pin 组）。

 

返回并选择添加当前源。任意两个 pins 之间的 current source 就可以完成这项工作。双击电流并输入 2.4A。

 

 

在项目经理面板中，右键单击 Anslysis，选择 SIwave 捆绑包，然后选择 DCIR。

 

为分析命名。选择在项目中定义的激励源。对于 Ansys Icepak Options，我们激活了导出功耗功能，以便在 Ansys Icepak 和 Mechanical 中使用。在表中，用户需要确认对于电流吸收器，两者都不选择，对于电压源，选择负数。负数仅表示负数列是引用。

 

选择其他解算器选项

 

选择求解器的精度级别。如果您愿意，可以选择使用下一个面板中的高级设置。

 

现在，我们将保持一切原样。按 OK。

右键单击 Project Manager 面板中的模型名称，然后选择设置温度。激活 Include temperature dependence 并启用 Thermal Analysis 的反馈，并将当前温度设置为 22 cel。现在模型已准备就绪。

 

 

按 OK。

右键单击铜材质并选择 properties 以打开 material 面板。单击 Edit material（编辑材质）按钮：

 

在 View/Edit modifier for中，选择Thermal Modifier选项：

 

换句话说，您允许铜的电导率发生变化。电导率的热公式应按如下方式编辑：

 

可以根据供应商的说明在此处修改公式。根据默认公式，如果温度在 -25 到 1000 摄氏度之间，电导率保持标称值。我们将其更改为 google 提供的公式。

 

单击 OK 后，再次单击 OK，然后开始求解 DCIR。

要查看结果，请转到 Field Overlays，然后选择 DC 结果。

 

您可以绘制电流幅度、电流箭头、电压和功率密度。选择mag_VolumeJc，您现在可以指定在哪个层上，我们选择 VCC 层。

 

按 done。

 

这是 22 Cel 的 DCIR。要改变铜的电导率，我们需要知道温度分布，我们希望 Icepak 为我们计算出来。这是一个迭代过程。DCIR 和热分析都应进行，直到达到饱和。

添加新的 Icepak 模型。

 

右键单击 3D Components （3D 零部件），选择 Create（创建），然后选择 PCB（PCB）

 

选择一个名称：

 

按 Next（下一步）：

 

选择 Setup a link（设置链接）：

 

启用 Use this project（使用此项目），然后选择 DCIR 模型和 DCIR 解决方案

 

根据需要启用 Simulate source design，并启用 Preserve source design solution。按 OK。

下一步：

 

选择 use From Linked source（使用从链接的源），然后按 Next（下一步）。

 

如果需要，请更改分辨率，然后按 下一页，

 

按 finish，现在我们在 Icepak 模型中有了一份 PCB 的副本。Icepak 中的 PCB 链接到 3D Layout 模型。

 

您可以添加空气区域或与热分析相关的组件。检查 Component Libraries 面板。如果您没有看到此面板 View （视图），请选择 Component Libraries （组件库）。

 

在本例中，我们添加了一个 air 区域。

 

 

添加空气区域后，您需要告诉系统空气区域外表面的边界条件。切换到面，然后选择空气区域的所有面。

 

 

右键单击显示屏上的任意位置，选择 thermal、opening 和 free。选择免费后

 

如果您不知道空气区域外表面的温度，请确保将 temperature 字段留空。

 

按 OK。

在此步骤中，您可以添加所需的任何其他组件，例如风扇、散热器、其他 PCB、外壳......等

最后一步是添加解决方案设置

 

 

我们这里有一个传统的设置：

• 设置的名称
• 达到收敛解决方案的迭代次数
• 问题类型：主要是温度，这里没有液体
• 流态，不适用于我们的情况。
• 辐射模型：关闭。
• 包括重力，不适用。
• 解决 flow 和 energy，答案是否定的。

其他面板是为了提高准确性。如果结构复杂，有很多小功能，用户可以修改它们。

按 OK。

右键单击 Setup1，然后选择 2-Way 耦合

 

输入迭代次数，比如 5，每个耦合的最大 icepak 迭代次数为 20。

 

现在 2 路耦合器已添加到设置中。

 

然后分析。

 

要查看结果，请先选择 PCB，然后使用 Field Overlays 显示结果。我们可以通过选择 Temperature 将温度显示为等值线图，或者通过选择 SurfTemperature 将温度显示为实体图。

 

 

您还可以在等值线中显示温度。

 

您还可以返回 DCIR 模型，并显示温度

 

选择要在其上查看温度的图层