電源管理模式最佳功率仿真的重要性

　　從事電源管理相關(guān)專業(yè)的工程師都發(fā)現(xiàn)，一旦電子設(shè)備使用過(guò)久或過(guò)熱都會(huì)導(dǎo)致某些電子元件損耗大，性能下降，甚至?xí)Ｖ构ぷ饕l(fā)安全事故。在進(jìn)行維修時(shí)你還在傻傻的去做物理實(shí)驗(yàn)分析嗎？這樣不僅耗時(shí)間還不一定可以查出真實(shí)的問題。

　　日前，在《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》、《電子工程專輯》和《國(guó)際電子商情》共同舉辦的“電源管理與功率器件論壇”（Tech Shanghai Power 2017）上，康模數(shù)爾公司（COMSOL）技術(shù)經(jīng)理王剛博士帶來(lái)了題為“多物理場(chǎng)仿真在電源管理以及功率器件設(shè)備中的應(yīng)用”的精彩演講，講解了數(shù)個(gè)有關(guān)“電源管理及功率器件設(shè)計(jì)”的典型案例，并通過(guò)這些案例分析，探討了仿真在其中起到的關(guān)鍵作用——非常實(shí)用！

　　王剛博士指出，電源管理及功率器件/設(shè)備涉及多個(gè)物理場(chǎng)，包括：

　　●電子設(shè)備：電流場(chǎng)、磁場(chǎng)、半導(dǎo)體、電化學(xué)等

　　●熱管理：強(qiáng)制對(duì)流散熱——流場(chǎng)

　　●熱量/溫度分布：溫度場(chǎng)

　　●熱引起的應(yīng)力和變形

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　　“根據(jù)器件涉及的各種物理場(chǎng)情況，我們要列的話還可以有很多。除了做實(shí)驗(yàn)，還有一個(gè)更加方便的工具就是計(jì)算機(jī)模擬，因?yàn)槲覀兊能浖窍Ｍ麖淖罨镜奈锢砀拍畛霭l(fā)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法計(jì)算出電源管理器件會(huì)面臨的現(xiàn)象。”王剛博士表示，“比如我們?cè)谘芯侩娮釉O(shè)備系統(tǒng)過(guò)熱的時(shí)候，就可以通過(guò)傳熱方程或電磁場(chǎng)方程等相關(guān)物理概念算出電源/功率器件里溫度的時(shí)間分布，進(jìn)而預(yù)測(cè)性能、壽命等是否符合要求?！?/p>

　　“還有一個(gè)我們所關(guān)注的是電磁污染。在電磁器件里會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，我們需要考慮這些電磁干擾是否會(huì)影響電源和功率器件的實(shí)際工作情況。通過(guò)仿真工具，我們可以經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算算出電磁場(chǎng)在各個(gè)受關(guān)注部位是否符合我們的預(yù)期要求?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

　　10+款典型用戶案例分享：哪款符合您的設(shè)計(jì)？

　　借助仿真優(yōu)化ABB智能電網(wǎng)分接開關(guān)的設(shè)計(jì) ABB智能電網(wǎng)分接開關(guān)用在高壓開關(guān)柜里。高壓變壓器在供電以后，需要模擬絕緣材料表面和內(nèi)部的介電應(yīng)力，了解其是否會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。通過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算算出電磁力以及介電應(yīng)力，在知道常見材料的強(qiáng)度極限的情況下，就可以結(jié)合計(jì)算出的這些力來(lái)判斷其是否會(huì)對(duì)開關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可預(yù)期的破壞。

　　借助磁共振實(shí)現(xiàn)靈活的無(wú)線充電 再比如，蘋果公司上周發(fā)布了最新的iPhone，其中就包括大家廣泛關(guān)注的無(wú)線充電。無(wú)線充電的原理是主線圈和從線圈之間產(chǎn)生電磁共振，從而將能量傳送過(guò)去。無(wú)線充電的早期設(shè)計(jì)是將二者靠得很近，這樣產(chǎn)生電磁共振就很容易。然而我們希望手機(jī)放在充電板上任意一個(gè)角度、任意一個(gè)位置，都能實(shí)現(xiàn)電磁共振。在這種情況下去做實(shí)驗(yàn)，成本就會(huì)很高。而通過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算仿真就可以很容易地建模?！跋聢D中的示例是美國(guó)WiTricity公司的無(wú)線充電仿真方案。這家公司專門為客戶設(shè)計(jì)汽車工業(yè)設(shè)備或電子設(shè)備用無(wú)線充電，分析線圈的排布或繞組以及主從線圈之間的距離、方向產(chǎn)生的影響。通過(guò)仿真之后就可以很快去做概念性的驗(yàn)證和原型設(shè)計(jì)，從而加快設(shè)計(jì)進(jìn)程?！蓖醪┦客嘎丁?/p>

　　石墨烯有效提高消費(fèi)電子產(chǎn)品的性能 石墨烯具有優(yōu)良的散熱性能。隨著其生產(chǎn)工藝的提升，未來(lái)其生產(chǎn)會(huì)越來(lái)越容易，應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。石墨烯在智能手機(jī)里可以用于散熱。手機(jī)空間非常狹窄，而石墨烯很薄，可以貼在發(fā)熱部位幫助散熱。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，我們可以確定怎樣的石墨烯設(shè)計(jì)可以達(dá)到最佳散熱效果。

　　新布線方案有效降低器件發(fā)熱及機(jī)械疲勞 下圖ABB公司的芯片和電路板通過(guò)引線方式實(shí)現(xiàn)引腳連接。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過(guò)直接引線連接，由于引腳連接部位相對(duì)于面積較小，因此接觸電阻較大，在實(shí)際工作中會(huì)產(chǎn)生較高溫度，達(dá)到甚至超出設(shè)定極限，導(dǎo)致壽命降低。因此我們希望在實(shí)際當(dāng)中通過(guò)某種方案使溫度降下來(lái)。ABB公司通過(guò)在中間增加連接部位（實(shí)際加工難度并未增加多少），使引腳的連接面積增加很多，從而大幅改善散熱性能。溫度降低導(dǎo)致熱應(yīng)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致器件開關(guān)的疲勞壽命得到數(shù)倍增長(zhǎng)。這對(duì)高可靠性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)可以得到很好的提升。

　　高性能功率器件模組的優(yōu)化設(shè)計(jì) IGBT等高功率器件模組中包含電、磁、熱等物理場(chǎng)。芯片中央可能是發(fā)熱部位，我們可以想辦法在中央增加散熱，或在后續(xù)做散熱片的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法算出模組外所需的散熱片設(shè)計(jì)。

　　SMD設(shè)計(jì)中的熱行為仿真 電路板上的貼片電阻或貼片芯片的發(fā)熱，也同樣可以通過(guò)計(jì)算得出。

　　打破常理實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)模擬速度 下圖中，Intel PCB的設(shè)計(jì)方案里，我們可以通過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算，算出實(shí)現(xiàn)高速互連的最佳方案。然后通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，可以算出天線自動(dòng)布線以及信號(hào)的連接方式。

　　電池仿真推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展 電動(dòng)汽車電池也同樣可以通過(guò)仿真得到較好的計(jì)算結(jié)果。比如福特公司做的電池仿真計(jì)算。通過(guò)向仿真工具中添加電池模塊，就可以模擬電池的工作情況。圖中的電池電壓變化曲線反應(yīng)的是踩下油門時(shí)的放電狀態(tài)和松開油門時(shí)的松弛過(guò)程（圖中閃點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線是仿真結(jié)果；可以看出仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致）。此外，我們還可以進(jìn)一步對(duì)鋰離子電池長(zhǎng)時(shí)間使用壽命進(jìn)行模擬分析——電池容量衰減到一定程度即認(rèn)為失效。

　　熱管理的改進(jìn)大幅提高電池的使用壽命 實(shí)際工作中，熱對(duì)電池使用壽命影響很大。同樣可以利用仿真軟件對(duì)此進(jìn)行分析。

　　高溫對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響 下圖中是一個(gè)雙極晶體管的模型。如果要設(shè)計(jì)一款半導(dǎo)體器件，我們需要知道如何設(shè)計(jì)器件摻雜以及微觀結(jié)構(gòu)，才能使其滿足半導(dǎo)體性能需求。因此，康模數(shù)爾在軟件里提供了半導(dǎo)體模塊，用于計(jì)算半導(dǎo)體工作原理。同樣，我們可以在仿真過(guò)程中引入溫度、電壓、電流等工況的影響，了解溫度分布是否低于指定的數(shù)值。而如果用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，則需要放置多個(gè)傳感器，且不如仿真來(lái)得直觀。

　　半封閉電子設(shè)備中的溫/濕度分析 電子設(shè)備中的溫/濕度達(dá)到一定程度可能引起漏電，進(jìn)而引起短路。仿真軟件同樣可以對(duì)此進(jìn)行分析。

　　仿真App和仿真設(shè)計(jì)方案

　　王博士介紹說(shuō)，康模數(shù)爾的產(chǎn)品名稱是COMSOL Multiphysics。顧名思義，該公司就是做多物理場(chǎng)建模的。它提供的軟件工具包括MULTIPHYSICS和APPLICATIONS。前者是一個(gè)建模開發(fā)器，可以在軟件當(dāng)中以同樣的方式創(chuàng)建物理模型，比如對(duì)于電源管理設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以將CAD布局導(dǎo)入到模型中，然后將各種物理場(chǎng)比如電磁場(chǎng)、傳熱、流體等引入進(jìn)來(lái)，通過(guò)建模得到計(jì)算結(jié)果。在此基礎(chǔ)之上還可以進(jìn)一步進(jìn)行二次開發(fā)，即二次開發(fā)器APPLICATIONS。類似智能手機(jī)中的App，通過(guò)二次開發(fā)器可以很方便地將模型封裝起來(lái)，得到定制界面。這樣即便是對(duì)不是很懂仿真甚至不懂仿真的工程師，通過(guò)在服務(wù)器或客戶端中運(yùn)行，他只需要在界面中輸入他關(guān)注的參數(shù)，就可以得到他想了解的結(jié)果。

　　上面這段話聽起來(lái)有點(diǎn)抽象，下面通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)方案來(lái)做具體解釋。

　　仿真App簡(jiǎn)化電子器件的設(shè)計(jì) 下圖是一個(gè)直觀界面，APEI公司的設(shè)計(jì)中指定了4條引線，通過(guò)給定的數(shù)字自動(dòng)畫出圖形，然后算出溫度。在界面上可以很方便地去修改，比如增加引線或是減少引線，直接在界面上填入數(shù)字、點(diǎn)擊計(jì)算即可。這就是康模數(shù)爾的“仿真App”，沒有實(shí)際仿真經(jīng)驗(yàn)的工程師也可以方便上手。

　　PCB上的豎直翅片散熱器設(shè)計(jì)App 同樣也是如此，下圖是COMSOL的咨詢公司AltaSim為其客戶做的App。

　　熱管理仿真App 下圖左邊的仿真界面中列出了所有的參數(shù)、幾何、物理場(chǎng)、邊界條件、后處理等等。這在操作起來(lái)需要仿真經(jīng)驗(yàn)，一來(lái)需要了解仿真概念，二來(lái)用過(guò)一段時(shí)間會(huì)愈加熟悉，因此在各個(gè)公司里只有少部分人能精通使用。通過(guò)將其封裝起來(lái)得到右邊這種App形式，使用者就可以很直觀地使用（只涉及需要微調(diào)的參數(shù)，以及計(jì)算、顯示等按鈕），只需要了解產(chǎn)品的使用場(chǎng)景即可。

　　“為了簡(jiǎn)化用戶使用，康模數(shù)爾提供了App設(shè)計(jì)工具，這樣在軟件里就可以很方便地通過(guò)表單構(gòu)建方式，比如控件方式來(lái)將控件逐一填上去，來(lái)進(jìn)行封裝。用戶在自己的公司或云上通過(guò)安裝COMSOL產(chǎn)品后，以上定制的仿真App就可以通過(guò)Windows上的免費(fèi)客戶端上傳到COMSOL的服務(wù)器，或者用戶也可通過(guò)手機(jī)上的瀏覽器連接到服務(wù)器來(lái)運(yùn)行仿真，得到想要的結(jié)果?！蓖醪┦勘硎?。

　　“比如一個(gè)案例是，一個(gè)客戶的市場(chǎng)部的宣傳人員到現(xiàn)場(chǎng)去跟他們的客戶洽談下一步產(chǎn)品設(shè)計(jì)或修正時(shí)，把平板電腦打開或通過(guò)手機(jī)，無(wú)線連接到COMSOL Server，直接進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)就能看到修正后的結(jié)果是否滿足要求。”王博士補(bǔ)充說(shuō)。