Российские ученые из Московского института электроники и математики (МИЭМ НИУ ВШЭ) разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно прогнозировать нагрев электронных компонентов во время рабочих процессов, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку.
Дело в том, что при работе электродвигателей или другого оборудования их электронные детали (особенно транзисторы) сильно нагреваются, так как при прохождении тока неизбежно выделяется тепло. От резких перепадов температуры при включении-выключении устройства параметры меняются и техника может выйти из строя.
Чтобы этого избежать, важно заранее понимать, как именно будет нагреваться и остывать электронный компонент в реальных условиях. Это позволяет правильно спроектировать устройство и систему охлаждения, снизить нагрузку на элементы и продлить срок службы техники.
Сегодня инженеры для прогнозирования перегрева используют два основных подхода.
Первый метод — это подробное численное 3D-моделирование тепловых процессов на основе пакетов ANSYS, Flotherm, Comsol и других. Он 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 ему нужно время на формирование электротепловых моделей, при этом он не всегда учитывает особенности конструкции печатной платы и системы охлаждения.
Ученые объединили преимущества обоих методов и создали многоуровневую автоматизированную систему, в которой три инструмента работают вместе. Так, пакет Comsol моделирует полупроводниковые приборы и уточняет тепловые модели корпусов компонентов, SPICE анализирует электрическую схему, содержащую описания электрической и тепловой частей, а «АСОНИКА-ТМ» рассчитывает нагрев печатной платы и температуры компонентов.
Чтобы связать разрозненное ПО между собой и ускорить расчеты, дополнительно были разработаны специальные программные инструменты. Они автоматизируют расчет мощностей компонентов и передают данные о температурах между различными модулями. В результате скорость формирования электротепловых моделей мощных компонентов для расчетов электротепловых процессов выросла в 5–10 раз по сравнению с ручным способом.
Новую методику протестировали на печатной плате — драйвере управления шаговым двигателем (она заставляет двигатель вращаться с нужной скоростью). На ней установлены мощные MOSFET-транзисторы, которые сильно нагреваются при работе. Результаты моделирования тепловых режимов схемы сравнили с данными тепловизионных измерений, и они подтвердились.
«Мы убедились на практике, что наши расчеты близки к реальным тепловизионным измерениям, — подчеркнул один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ Игорь Харитонов. — Это значит, что методика работает корректно и может применяться в реальных инженерных задачах».
По его словам, ранее 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», — отметил профессор.
Инженеры говорят, что новая методика позволяет 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.
Результаты работы опубликованы в журнале Russian Microelectronics.
Исследование выполнено в ходе реализации проекта НИУ ВШЭ «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность» в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
