Analisi termica e simulazione

How To: un esempio ottimale di progettazione elettronica guidata dalla simulazione

on 18 Settembre 2019

In questo breve tutorial possiamo vedere come integrare la simulazione termica all’interno della progettazione di un dispositivo elettronico. È un caso concreto di progettazione guidata dalla simulazione, l’approccio proposto da Siemens per risparmiare sui tempi e sui costi del progetto, in modo da essere più competitivi sul mercato.

In questo esempio specifico, possiamo vedere come dimensionare un dissipatore termico sulla base della simulazione termica calcolata da Simcenter FloTHERM XT, senza mai uscire dal proprio ambiente di progettazione elettronica. Se il progettista avesse aspettato di simulare il dissipatore alla fine del progetto, avrebbe potuto ricevere la sgradita notizia di un ridimensionamento necessario. In tal caso, sarebbe stato probabilmente necessario rimettere mano anche ad altre parti del progetto, sia nel PCB che nell’involucro.

Nello schema che segue possiamo vedere le differenze tra il metodo tradizionale e quello della progettazione guidata dalla simulazione.

Metodo tradizionale

  • I progettisti – elettronici o meccanici – completano il progetto e poi lo passano agli esperti della simulazione per ulteriori miglioramenti.
  • Per ogni modifica richiesta, vengono reiterate le varie fasi della progettazione.
  • Ogni eventuale variante è costosa.
  • Possono essere necessari diversi prototipi fisici.

Progettazione guidata dalla simulazione

  • I progettisti – elettronici o meccanici – eseguono la simulazione fin dalle prime fasi della progettazione.
  • I cambiamenti necessari vengono individuati subito e gli interventi sono brevi e tempestivi.
  • È possibile sperimentare diverse varianti con un impegno ridotto
  • La prototipazione è virtuale.

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Ti spiegherà come implementare nella tua azienda la progettazione guidata dalla simulazione

Stefano Morlacchi

Da oltre 10 anni lavora nel campo delle analisi computazionali FEM e CFD nei campi della biomeccanica, automotive e oil & gas. Esperto nel training, nell’assistenza tecnica di pre-vendita e di post-vendita per prodotti software CAE. In Cadlog ricopre il ruolo di Product Manager per i software della divisione di analisi termica e fluidodinamica (FloTHERM, FloEFD, FloMASTER) e per il Cabling & Harness.


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CadlogHow To: un esempio ottimale di progettazione elettronica guidata dalla simulazione

Ottenere prodotti migliori a costi minori con la progettazione guidata dalla simulazione

on 10 Settembre 2019

La progettazione guidata dalla simulazione consiste nell’uso della simulazione da parte dei progettisti (elettronici o meccanici) nelle prime fasi del processo di progettazione. In questo articolo vedremo come essa consente di ottenere prodotti più innovativi, una maggiore probabilità che tutto funzioni al primo tentativo, e minori probabilità che siano necessarie rilavorazioni significative nelle fasi avanzate del processo di progettazione.

Tutti sappiamo che la priorità numero uno dei progettisti è lanciare rapidamente sul mercato prodotti innovativi. In passato, ciò significava completare il progetto iniziale e consegnarlo a un gruppo dedicato di esperti di simulazione, per un’ulteriore iterazione e ottimizzazione del progetto. Mentre l’esperienza degli esperti è sempre apprezzata, il loro apporto nella fase finale del progetto è diventato sempre più un collo di bottiglia.

La tendenza oggi è diversa. Spinti dalle pressioni e dalle sfide del mercato, i progettisti migliori del settore applicano sempre più la simulazione durante la fase di progettazione.

progettazione guidata dalla simulazione (simulation driven design)

Pressioni e sfide che motivano la progettazione guidata dalla simulazione

Le pressioni e le sfide della produzione odierna stanno spingendo i progettisti a introdurre la simulazione nel team di progettazione e utilizzarla prima nell’ambito dell’iter progettuale.

I produttori sono sottoposti a pressioni per comprendere meglio il comportamento del prodotto già durante la fase di progettazione. La necessità di una maggiore innovazione è fondamentale ed è un catalizzatore per creare nuove opportunità di mercato. Oltre alla necessità di innovare, c’è un’enorme pressione per differenziare i prodotti in termini di qualità, affidabilità e funzionalità.

C’è meno tempo per sviluppare prodotti innovativi, a causa di programmi di sviluppo più brevi e della necessità di un time-to-market più rapido. C’è anche una continua domanda da parte dei clienti di prodotti a basso costo, nonostante richiedano, al tempo stesso, funzionalità più ricche e caratteristiche di prodotto “intelligenti”.

A tali pressioni si aggiungono le molte sfide che i progettisti devono affrontare.

I prodotti stanno diventando molto più complessi, ma allo stesso tempo c’è una minor tolleranza per i difetti di progettazione. Sebbene la pressione per creare prodotti differenziati sia elevata, soddisfare tale differenziazione è sempre più difficile, soprattutto a fronte di risorse di sviluppo limitate. Inoltre i progettisti devono lanciare prodotti che riducano i costi del ciclo di vita (garanzia, richiamo, ecc.).

Per attenuare la tensione creata da tali pressioni e sfide, i migliori progettisti sanno come reagire. Di fronte a tempi di progettazione più lunghi, tempi di immissione sul mercato più brevi e esigenze crescenti di qualità, hanno scoperto un modo migliore per l’innovazione del prodotto: la progettazione guidata dalla simulazione.

Perché le Aziende Top adottano la progettazione basata sulla simulazione

Il principio della progettazione basata sulla simulazione è semplice. Poiché i progettisti sono più numerosi degli esperti di simulazione – in un rapporto di 5 a 1 o addirittura di 10 a 1 – il gruppo di specialisti della simulazione è diventato un collo di bottiglia nel processo di progettazione. Le migliori aziende del settore (che qui chiameremo Aziende Top) hanno quindi risposto introducendo la simulazione direttamente nell’ambiente di progettazione. Il principio è espresso nel famoso proverbio: “Dai a una persona un pesce e gli dai da mangiare per un giorno; insegnate a una persona a pescare e le date da mangiare per tutta la vita“. In pratica, la risorsa degli specialisti della simulazione è utilizzata meglio come leva per i progettisti, per consigliarli mentre simulano da sé, piuttosto che farlo per loro abitualmente.

Da una ricerca del Gruppo Aberdeen, che qui mettiamo a disposizione per il download gratuito, risulta che l’87% delle organizzazioni migliori della categoria ha utilizzato la simulazione, rispetto al 75% di due anni prima. Inoltre, la value proposition della simulazione si è spostata nelle fasi di progettazione dello sviluppo del prodotto.

Tra le Aziende Top, l’impatto positivo della simulazione si è spostato a sinistra nelle fasi di sviluppo del prodotto incentrate sulla progettazione. In tali fasi si ha il massimo di impatto positivo della simulazione, raggiungendo un picco nella fase di progettazione di dettaglio a livello di componente. Tra tutti gli altri tipi di aziende, il picco rimane nella fase di verifica e test.

impatto della progettazione guidata dalla simulazione (simulation driven design)

Con la progettazione basata sulla simulazione, l’Azienda Top garantisce il successo in vari modi. In questo nuovo modello incentrato sul progettista, gli esperti di simulazione collaborano ampiamente con i progettisti mentre questi ultimi simulano da soli. Inoltre, le Aziende Top acquisiscono le competenze degli esperti CAE e le rendono più accessibili ai progettisti. Infine, il 73% delle Aziende Top verifica la progettazione del prodotto prima, nel processo di sviluppo, attraverso la modellazione computazionale. Quest’ultimo passaggio è fondamentale per garantire che la prova di concetto del prodotto funzioni correttamente la prima volta.

Mentre le Aziende Top passano alla progettazione guidata dalla simulazione, stanno anche attente a catturare e condividere le migliori pratiche e competenze di simulazione, rendendola disponibile per i non esperti. Ciò incoraggia e consente ai non esperti di aggiornarsi con le moderne tecniche di simulazione.

I vantaggi della progettazione basata sulla simulazione

La progettazione guidata dalla simulazione ripaga? Le prove del Gruppo Aberdeen suggeriscono fortemente che lo fa. Le aziende migliori del settore che implementano la progettazione basata sulla simulazione godono di vantaggi significativi, in termini di costi di sviluppo del prodotto, time-to-market e qualità.

I progettisti best-in-class che implementano la simulazione all’inizio del processo di progettazione superano facilmente tutti gli altri, rispetto al costo del prodotto, al suo lancio, ai ricavi e agli obiettivi di qualità. Questo successo è direttamente attribuibile alla spinta verso la simulazione dei progettisti e alla loro possibilità di iterare e innovarsi. Ciò si traduce in progetti di prodotto ottimizzati e innovativi.

Le aziende migliori della categoria hanno anche risparmiato sui tempi di rilavorazione del prodotto, riducendo lo sviluppo di prototipi e diminuendo i tempi di sviluppo.

Come tutti gli ingegneri di progettazione sanno, il costo di un passo falso nella progettazione è molto alto. Più tardi emerge un problema di progettazione, più diventa costoso risolverlo o rielaborarlo. La progettazione guidata dalla simulazione risolve questo inconveniente, spingendo la simulazione verso le fasi precedenti della progettazione del prodotto. Ciò paga molto, con un miglioramento del 21% nel numero di ordini di modifica tecnica (ECO) emessi dopo il rilascio alla produzione. Tutti gli altri, che non hanno implementato la progettazione basata sulla simulazione, hanno sperimentato il 3% in più di ECO. Grazie all’aumento della prototipazione virtuale, i migliori progettisti del settore hanno costruito il 27% in meno di prototipi fisici. Infine, l’Azienda Top ha migliorato del 29% i tempi di sviluppo.

Conclusioni e raccomandazioni chiave

Per cogliere i vantaggi legati agli obiettivi di time-to-market, qualità e costi, oltre che per dissipare le pressioni e le sfide legate alla produzione, Aberdeen Group raccomanda ai progettisti di raggiungere i propri obiettivi attraverso la progettazione basata sulla simulazione.

  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per l’innovazione di prodotto. Il motivo per cui i Best-in-Class hanno ridotto i loro prototipi fisici del 27 percento è perché sono passati a prototipi virtuali e test virtuali. Ciò ha permesso loro di esplorare centinaia di iterazioni di design (o più), per concentrarsi sui design più innovativi con il più alto potenziale di innovazione.
  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per un migliore time-to-market. I progettisti migliori della categoria hanno migliorato i tempi di sviluppo del 29%, sei volte il tasso di miglioramento di tutti gli altri. Le Aziende Top hanno anche raggiunto gli obiettivi di time-to-market il 76% delle volte, un tasso superiore del 17% rispetto a tutti gli altri.
  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per una qualità superiore. Il 77% delle aziende migliori della categoria ha raggiunto i propri obiettivi di qualità del prodotto. Inoltre, i prodotti “Top” hanno avuto maggiori probabilità di funzionare correttamente la prima volta e meno probabilità di richiedere rilavorazioni, poiché le Aziende Top hanno migliorato i loro ECO del 21%, dopo il rilascio alla produzione.
  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per ridurre i costi. Il 71% percento dei progettisti delle Aziende Top ha raggiunto gli obiettivi di costo del prodotto, contro il 63% delle altre.

 

thomas edison

Thomas Edison

Thomas Edison una volta disse che il genio era “L’uno per cento di ispirazione e il 99 per cento di sudorazione”. Il design guidato dalla simulazione aggiorna la massima di Edison, consentendo ai progettisti di innovare attraverso l’iterazione tramite prototipazione virtuale e test virtuali. Questo nuovo modo di fare elimina la “sudorazione” della prototipazione fisica. I designer sono ora liberi di testare centinaia (o migliaia) di alternative di progettazione fino a quando non vengono “ispirate” dalla scelta di progettazione del prodotto più innovativa.

Edison ha provato oltre 1.000 prototipi fisici della lampadina a incandescenza, prima di scoprire che il modesto filamento di carbonio a base di bambù ha prodotto una lampadina che durava oltre 1.200 ore. Nella scelta del design basato sulla simulazione, gli ingegneri ottengono il meglio da entrambi i mondi: prodotto innovativo che soddisfa anche obiettivi di time-to-market, costi e qualità.

White Paper

Il rapporto Aberdeen sulla progettazione guidata dalla simulazione

Il testo completo di “The Benefits of Simulation-Driven Design”, la ricerca di Aberdeen Group sull’adozione della progettazione guidata dalla simulazione (Simulation-Driven Design). Si tratta di un approccio che prevede che i progettisti stessi si occupino della simulazione sin dalle fasi iniziali del progetto, per essere in grado di provare diverse varianti e vedere quali funzionano meglio, senza bisogno di ricorrere poi a prototipi fisici. Nel documento viene spiegato in dettaglio come le Aziende Top nel settore elettronico riescono a ridurre i costi e i tempi di rilascio dei prodotti grazie alla progettazione guidata dalla simulazione.

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Progettare la dissipazione del calore prodotto per effetto Joule, 2 esempi pratici

on 2 Maggio 2019

L’effetto Joule è uno dei principali fenomeni che si verificano negli apparati elettronici, quando l’energia elettrica si trasforma in energia termica. In sintesi, l’effetto Joule consiste nella produzione di calore che si verifica quando in un elemento di un circuito elettrico passa una certa corrente tra due estremi, caratterizzati da una certa differenza di potenziale.

L’effetto Joule in alcuni casi è voluto – come nel fusibile, nell’asciugacapelli o nel forno elettrico – ma nella maggior parte dei casi è una conseguenza inevitabile del passaggio di corrente, che provoca un calore non voluto e potenzialmente dannoso. Dal punto di vista di chi si occupa di simulazione termica nell’ambito della progettazione di un apparato elettronico, è un problema del quale è necessario avere un quadro preciso, nell’ambito di un ambiente di progettazione in 3D.

L’effetto Joule può essere gestito efficacemente con uno strumento come Simcenter FloTHERM XT, il simulatore termico integrato all’interno di PADS Professional, la suite di PCB Design proposta da Mentor e Siemens per le piccole e medie aziende di progettazione elettronica. Nelle ultime versioni di FloTHERM XT, le condizioni elettriche al contorno vengono imposte sulla periferia di una rappresentazione solida 3D del conduttore. Il successivo processo di simulazione elettro-termica 3D risolve il potenziale di corrente e la tensione e utilizza la potenza di riscaldamento Joule come una fonte cella per cella per la soluzione della temperatura.

Ambiti di applicazione tipici della simulazione del calore prodotto per effetto Joule sono le busbar, i substrati di alimentazione e i piani di terra del BGA, i leadframes e i fusibili. Si tratta di tutti quei casi in cui il calore dovuto alla resistenza gioca un ruolo dominante nella dissipazione totale della potenza.

Esempio 1 – Simulazione termica di un fusibile

Qui di seguito vediamo un semplice esempio di fusibile montato su un PCB. La cartuccia del fusibile è stata omessa per maggiore chiarezza. Vengono definiti un valore di corrente sulla faccia della traccia che porta al fusibile e un valore di tensione fisso sul bordo del piano di massa sul lato inferiore del PCB. Un via collega la traccia al ritorno a terra.

dissipazione termica per effetto joule

FloTHERM XT è in grado di animare fluidi continui come il flusso di calore, il flusso d’aria o il flusso di corrente, consentendo di esaminare la loro direzione ed eventuali ostruzioni. L’animazione mostra come la corrente elettrica attraversa il circuito.

dissipazione termica per effetto joule

La velocità delle frecce è data dalla densità di corrente, che a sua volta è strettamente correlata alla dissipazione di potenza e alla temperatura risultanti. Si noti l’elevata densità di corrente all’interno del fusibile dell’avvolgimento, ottenuta mediante la progettazione. FloTHERM XT può rilevare anche la risultante dissipazione di potenza dovuta a riscaldamento Joule. Essendo una simulazione 3D, la densità di potenza viene indicata in potenza per volume, in questo caso / mm3.

dissipazione termica per effetto joule

La temperatura risultante è però l’elemento di maggior interesse. Qui sono state rilevate le temperature più calde che si verificano nella sezione centrale del fusibile.

dissipazione termica per effetto joule

Il ruolo svolto dal fusibile implica un accoppiamento tra il mondo elettrico e quello termico. Un aumento della temperatura determinerà un aumento della resistività elettrica, la quale aumenterà a sua volta la densità di corrente, la quale aumenterà la potenza del riscaldamento Joule, che aumenterà la temperatura e così via. Se il calore viene rimosso abbastanza velocemente, si ottiene un equilibrio e le condizioni si stabilizzano ad un aumento di temperatura costante. Se l’accoppiamento è troppo forte, in particolare in condizioni di corrente alta, la temperatura s’impenna, finché il fusibile non si surriscalda. FloTHERM XT è in grado di gestire questo accoppiamento, mediante la sua proprietà materiale di resistività elettrica dipendente dalla temperatura.

Esempio 2 – Analisi della PDN di un PCB

L’altro esempio che presentiamo mostra gli effetti del riscaldamento Joule nella Power Distribution Network (PDN) di un PCB. FloTHERM ha una tecnologia unica per la rappresentazione di tali geometrie complesse, definite in 3D all’interno dei software EDA (in questo caso PADS Professional), le quali possono essere incluse in una simulazione di riscaldamento Joule.  Ne risultano diagrammi che mostrano la distribuzione della tensione (più o meno uniforme, perché la PDN funziona come previsto, fornendo tutta la differenza di potenziale), l’ampiezza della densità di corrente, la dissipazione di potenza del riscaldamento Joule risultante e infine la temperatura risultante.

Power Distribution Network (PDN)
Power Distribution Network (PDN)

In questo caso, avremo un aumento di temperatura molto piccolo sull’ambiente. Nell’elettronica digitale “tipica” è la dissipazione di potenza nel die dei dispositivi attivi a dominare il comportamento termico del sistema, non il riscaldamento Joule nelle PDN.

Riscaldamento per effetto Joule in PCB ad alta potenza e dispositivi elettronici: l’importanza della CFD nella progettazione

Guarda ora il webinar on demand

webinar sulla disspipazione del calore prodotto per effetto Joule

L’effetto Joule è la causa più frequente di surriscaldamento dei dispositivi elettronici, che provoca spesso ritardi nell’ingresso dei prodotti sul mercato. Ma è possibile intervenire facilmente sin dalle fasi iniziali della progettazione.

In questo webinar l’Ing. Stefano Morlacchi mostra come è possibile sfruttare FloTHERM XT per modellizzare l’effetto Joule e ottenere validi input nella fase iniziale del processo di progettazione. Vedremo quali sono i vantaggi e gli svantaggi di simulazioni di questo tipo e come è facile importare direttamente il progetto dei circuiti stampati ad alta potenza nell’analisi termica.

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Aerospazio: nasce l’alleanza tra Boeing e Siemens-Mentor. Ecco gli strumenti software utilizzati per progettare gli aerei

on 11 Ottobre 2018

Nell’aerospazio la notizia del momento è l’alleanza tra Boeing e Siemens, che consentirà al gigante mondiale dell’industria aerospaziale di utilizzare i software di Mentor Graphics, oggi parte integrante della stessa Siemens. Tali strumenti diventeranno parte integrante di quelli che in Boeing vengono chiamati Second Century Enterprise Systems (2CES). I 2CES sono il cuore di una strategia della più grande impresa aerospaziale del mondo, per trasformare se stessa in vista delle sfide del ventunesimo secolo. L’obiettivo è di dominare anche i prossimi 100 anni, e hanno scelto di farlo in partnership con Siemens. Le due aziende insieme saranno in grado di trasformare ulteriormente la progettazione e la produzione, con iniezioni ancora più massicce di automazione e di digitalizzazione.

La decisione di Boeing arriva a seguito di un’analisi onnicomprensiva delle diverse soluzioni presenti sul mercato, tenendo conto sia della varietà di necessità tipiche dell’aerospazio, sia del bisogno di avere la giusta flessibilità in vista dei possibili cambiamenti futuri. L’accordo a lungo temine darà a Siemens gli strumenti software necessari in tre aree chiave: electrical systems design; progettazione del prodotto elettronico; analisi meccanica.

L’accordo voluto dall’azienda leader nell’aerospazio riguarda in particolare gli strumenti del portfolio Siemens che derivano dall’acquisizione di Mentor Graphics, col fine di creare per Boeing una piattaforma comune e standardizzata a livello enterprise che comprenderà:

  • progettazione e verifica dei semiconduttori;
  • progettazione e realizzazione di PCB;
  • progettazione e realizzazione di sistemi elettrici (compresi wire harness);
  • analisi termica e fluido-dinamica per la progettazione meccanica.

Dunque si tratta di applicazioni in parte comuni a tutto il mondo dell’elettronica e in parte tipiche dell’aerospazio, dove coesistono sistemi elettrici e impianti di vario tipo, sia destinati alla navigazione, sia al comfort dei passeggeri, con un’enfasi particolare sulla sicurezza.

“La partnership con Siemens-Mentor ci consentirà di combinare i migliori tool esistenti per la progettazione elettrica con la vasta esperienza e conoscenza di Boeing nell’ambito del nostro progetto di trasformazione 2CES della progettazione”, ha dichiarato John Harnagel, Engineering Director di Boeing Defense and Space.

Dal canto suo Tony Hemmelgarn, president e CEO di  Siemens PLM Software ha detto: “L’abilità di supportare i clienti nel realizzare la digitalizzazione e implementare l’innovazione è uno dei nostri punti di forza. Questa partnership dà la misura di quanto Boeing creda in Siemens per consentirle di realizzare la propria visione, e noi di Siemens non vediamo l’ora che ciò avvenga realmente!”

I tool di Siemens-Mentor per l’aerospazio

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

Progettazione elettrica ed elettronica

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

Analisi meccanica e CFD

  • FloEFD (analisi CFD integrata coi sistemi di CAD meccanico)
  • FloTHERM (analisi termica e simulazione per la prototipazione virtuale)
  • FloMASTER (modellazione termofluidodinamica monodimensionale)
  • Power Tester 1500A (Test termici per i componenti elettronici)

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Stefano Morlacchi

Da oltre 10 anni lavora nel campo delle analisi computazionali FEM e CFD nei campi della biomeccanica, automotive e oil & gas. Esperto nel training, nell’assistenza tecnica di pre-vendita e di post-vendita per prodotti software CAE. In Cadlog ricopre il ruolo di Product Manager per i software della divisione di analisi termica e fluidodinamica (FloTHERM, FloEFD, FloMASTER) e per il Cabling & Harness.

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Come integrare le componenti meccaniche di un dispositivo elettronico tramite le SmartParts in FloTHERM XT

on 3 Maggio 2018

FloTHERM XT è la soluzione di alto livello per la simulazione termica che può essere adottata sin dalla fase di posizionamento dei componenti, per identificare gli effetti termici nell’intero sistema. Usando la funzione SmartParts, i progettisti possono realizzare modelli semplici in pochi minuti, applicando parti meccaniche complesse direttamente dal CAD meccanico, creando facilmente geometrie CAD personalizzate e importando insiemi elettronici complessi dai tool EDA.

FloTHERM XT si integra in maniera automatica sia con ECAD che MCAD, offre potenza e prestazioni per sistemi elettronici complessi ed è progettato come soluzione specializzata per il mercato termico dell’elettronica attraverso la sua innovativa tecnologia SmartParts e ampie librerie.

Il progetto elettronico di un PCB può essere facilmente integrato con le componenti meccaniche tramite le SmartParts, oggetti parametrici che permettono una facile creazione di studi parametrici per ottimizzare il design.

Le SmartParts si possono suddividere in:

  • SmartParts geometriche: cuboidi o cilindri, dissipatori, ventole assiali/radiali, enclosures
  • SmartParts non geometriche: PCB, tubi di calore e la resistenza termica di contatto

Punti chiave delle SmartParts

  • Set completo di SmartParts (macro per la creazione di modelli intelligenti).
  • SmartParts multilivello (rappresentazioni compatte e dettagliate in un singolo oggetto).
  • Project Manager in stile Explorer con funzionalità di trascinamento della selezione.
  • Tavolo da disegno in stile CAD, che utilizza semplici operazioni di trascinamento e rilascio per creare e manipolare la geometria.
  • Mesh cartesiana strutturata che può essere “localizzata” per ridurre al minimo i tempi di calcolo.
  • Centinaia di oggetti e attributi disponibili in una libreria installata tra cui ventole, componenti, dissipatori di calore, materiali, materiali di interfaccia termica e altro ancora.
  • Mesh associata agli oggetti che combina la creazione del modello e la generazione della griglia in un unico passaggio.

Vantaggi delle SmartParts

  • Semplificazione della creazione del modello
  • Riduzione dei tempi di soluzione
  • Massimizzazione della precisione dei risultati

In sintesi

La modellazione basata su SmartPart e la mesh cartesiana strutturata consentono la tecnologia di progettazione di esperimenti da applicare a un modello FloTHERM. Il Design of Experiments (DoE) è un metodo strutturato per determinare la relazione tra i parametri di progettazione (ad esempio il numero di alette del dissipatore di calore, posizione delle ventole, ecc.) e i risultati (temperature dei componenti, portata del ventilatore, ecc.). L’implementazione del progetto di esperimenti FloTHERM esplora in modo efficiente lo spazio del progetto costruendo e risolvendo le varianti del modello iniziale. Ciò fornisce informazioni critiche sulla sensibilità dei risultati termici ai cambiamenti nei parametri di progettazione riducendo al minimo il numero di simulazioni da risolvere.

Uso della SmartPart di un dissipatore

Esempi

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Guida alla progettazione termica dei contenitori per i dispositivi elettronici

on 25 Gennaio 2018

Nella progettazione elettronica la simulazione termica ha un ruolo sempre più importante, man mano che aumenta la potenza dei dispositivi, diminuiscono le loro dimensioni e si estende il loro utilizzo ad ambiti dove le condizioni ambientali possono essere impegnative. Il contenitore o case, cioè la scatola (box) che contiene il dispositivo elettronico vero e proprio, assume un ruolo rilevante dal punto di vista termico, poiché determina le modalità di circolazione dell’aria e dunque la facilità o meno con cui i componenti possono essere raffreddati.

Quando parliamo di case, non ci riferiamo solamente al contenitore del classico computer – noto anche come scocca, cabinet, chassis o cassa – che spesso rispetta delle caratteristiche standard, ma anche gli involucri personalizzati di dispositivi come gli smartphone, i tablet o altri dispositivi per usci specifici, così come i dispositivi elettronici ospitati all’interno di contenitori più ampi, come ad esempio il cruscotto di un’auto.

Esempi di contenitori in plastica per dispositivi elettronici in ambito consumer (Foto: OKW Gehäusesysteme)

In tutti i casi, il dispositivo elettronico va progettato insieme al contenitore, poiché quest’ultimo – nei confronti dello scambio di calore con l’esterno – può svolgere la funzione di barriera o quella di canale di trasmissione, a volte entrambe. Il raffreddamento è una questione da affrontare a livello di sistema, dunque il consiglio di John Parry – autore di “A Complete Guide to Enclosure Thermal Design… 14 Key Considerations” – è quello di seguire un approccio top-down, cioè a partire dal case e non dalla scheda.

Progettare partendo dal contenitore con la simulazione CFD

All’interno di un dispositivo elettronico le modalità di trasmissione del calore sono complesse, tanto che normalmente per calcolarle si ricorre alla simulazione CFD. Il mezzo di trasmissione più comune è l’aria, ma in dispositivi dalle dimensioni particolarmente ridotte, come i computer portatili, la sfida del progettista e di consentire il massimo movimento d’aria tra i componenti. Ma ha la sua importanza anche la conduttività del contenitore, il quale può essere in metallo o in plastica, come negli esempi mostrati sopra.

Quando si tratta di simulare il comportamento termico dell’aria all’interno di un dispositivo elettronico, lo strumento per eccellenza scelto dall’industria è FloTHERM, come illustrato nell’immagine.

Distribuzione del flusso d’aria in un server 1U modellato con FloTHERM

FloTHERM usa quello che nella terminologia CAD viene definito come un approccio basato sulla “modellazione diretta”, cioè dove l’oggetto viene creato, posizionato e ridimensionato in modo geometrico e non inserendo parametri numerici. Questo lo rende estremamente rapido nelle fasi iniziali del progetto. I modelli vengono creati in minuti e poi calcolati in secondi. Un altro vantaggio tipico è quello che gli oggetti vengono presentati nello stesso ordine gerarchico che è comune nei processi di sviluppo dei prodotti: un assemblaggio principale e poi i sub-assemblaggi e le parti.

Ottimizzare il flusso d’aria

La progettazione termica del contenitore o case sta tutta nell’ottimizzare i flussi d’aria del sistema una volta che l’elettronica è installata. Questo però non significa pensarci alla fine, una volta che il progetto elettronico è terminato. Al contrario, per assicurarsi tempi rapidi, i costi più bassi possibile e un prodotto affidabile, è indispensabile un approccio basato sulla co-progettazione (co-design). La regola d’oro è “cominciare presto e cominciare semplice”.

Il co-design può cominciare sin dalla progettazione del concept. È addirittura un prerequisito per ottenere che sia corretto il progetto architetturale dell’elettronica. Dove c’è flessibilità nella progettazione del contenitore, FloTHERM e FloTHERM XT forniscono una Enclosure SmartPart, che rende disponibile una rappresentazione parametrica 3D del contenitore, di rapido utilizzo.

In altri casi, il progetto del case può essere largamente predefinito, ma va in ogni caso ottimizzato per il raffreddamento delle parti elettroniche. Per FloTHERM, FloMCAD Bridge fornisce la possibilità di importare file nativi dei CAD o in formati standard. In FloTHERM XT entrambi i tipi di file possono essere importati, manipolati e modificati direttamente utilizzando il kernel CAD incluso nel software.

Superficie di risposta che mostra la variazione della temperatura di giunzione in base alla posizione di un deflettore

Il flusso principale di progettazione – sia nel CAD meccanico che in quello elettronico – è focalizzato sulla geometria fisica, ma facendo così, si perde di vista la parte più importante della maggior parte dei progetti elettronici, dal punto di vista del raffreddamento: gli spazi d’aria.

Ma questa è solo una delle tante considerazioni che si possono fare su questo tema così cruciale e che vengono sviluppate nel già citato libro bianco di Mentor “A Complete Guide to Enclosure Thermal Design… 14 Key Considerations”, ovvero “Guida completa alla progettazione termica del contenitore… 14 considerazioni chiave“, che vi invitiamo a scaricare nella nostra versione dotata di sintesi in italiano.

Scarica ora l’ebook con sintesi in italiano:

A Complete Guide to Enclosure Thermal Design… 14 Key Considerations

Il libro bianco di Mentor Graphics e Cadlog con 14 preziosi consigli per una progettazione termica veramente completa: “Guida completa alla progettazione termica del contenitore… 14 considerazioni chiave”.

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CadlogGuida alla progettazione termica dei contenitori per i dispositivi elettronici

Tutte le caratteristiche tecniche del progetto di PCB che ha vinto l’ultimo Technology Leadership Award

on 20 Dicembre 2017

Altice LabsLa portoghese Altice Labs si è aggiudicata l’ultimo Technology Leadership Award, il più prestigioso premio nel PCB Design, che Mentor attribuisce ai progettisti più bravi nel trovare metodi e strumenti innovativi per rispondere alla sfida della complessità odierna del PCB, per ricavare prodotti elettronici leader.

Si tratta di una switching matrix card in grado di indirizzare 1.6Tbps su un sistema con 10 slot interconnessi con collegamenti a 25Gbs, tramite un backplane per diverse tecnologie: Gigabit ethernet, G-PON, XG-PON, NG-PON2, fiber-to-the-home (FTTH), fiber-to-the-building (FTTB), fiber-to-the-curb (FTTC), fiber-to-the-cell (FTTc), and fiber-to-the-business (FTTb).

Caratteristiche del progetto

La scheda ha caratteristiche uniche, perché non esiste al mondo una soluzione che utilizzi due gestori del traffico su una stessa scheda in così poco spazio. Per farsi un’idea, le demo board dei produttori di chip usano solo un IC nel doppio dell’area del PCB, con lo stesso numero di layer. Ci sono più di 20 alimentatori diversi, che sono stati suddivisi in ulteriori 100. Tutto ciò andava sbrogliato con i piani e in layer specifici. Il tempo richiesto per il completamento era di 3 mesi, dallo schematico al PCB assemblato.

La scheda doveva funzionare e passare i test al primo tentativo, ma c’erano molti vincoli, come ad esempio l’uso di materiali a basso costo e dunque alta perdita dielettrica, una scheda da 28 layer, massimo consumo consentito per gli IC 350W. La RAM DDR4 richiede comunque un consumo minore rispetto alla DDR3. Per ulteriori dettagli, si veda la scheda tecnica.

Sfide progettuali

Sono state eseguite le seguenti verifiche del progetto: signal integrity analysis, power integrity analysis, analisi termica, digital simulation, environmental / EMC testing, analisi delle vibrazioni.

La simulazione delle 32 memorie DDR4 ha tenuto conto della lunghezza dei package, consentendo ai progettisti di effettuare rapidi cambiamenti nella sbrogliatura ed essere sicurii che avrebbero funzionato al primo tentativo a velocità molto alte.

La scheda ha bisogno di 200A solo per il core in 2 BGA, più gli altri chip, rendendo ardua la progettazione, se si considerano le restrizioni di alimentazione dell’intero sistema. La DDR4 è stata scelta rispetto alla DDR3 proprio per il minor consumo energetico. Con tutta quella potenza c’è una perdita di tensione nei piani che ha richiesto di essere controllata.

Inoltre la scheda emetteva più di 300W di calore, richiedendo la collocazione di una ventola per dissipare il calore dei chip, specie nei casi in cui la temperatura ambiente sia superiore a 35°C.

Tool utilizzati

Per quanto riguarda i tool software, il team ha fatto ricorso al flusso Xpedition, nell’ambito del quale sono stati utilizzati anche: Hyperlynx SI, Flotherm XT, Design Capture, Autocad, Inventor.

Il team era composto da: Alfonso F. (Schematic Design); Carlos Monica (Layout); Victor Soares (creazione dei component e gestione DDR); Luiz Tavares (simulazione meccanica e termica).

Scheda tecnica del progetto

Inserendo il solo indirizzo email nel campo qui a fianco, è possibile scaricare la scheda tecnica dettagliata del progetto.

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CadlogTutte le caratteristiche tecniche del progetto di PCB che ha vinto l’ultimo Technology Leadership Award

I software per l’analisi termica in offerta speciale. Ecco quali sono e perché cambieranno il vostro modo di progettare

on 29 Novembre 2017

I software per l’analisi termica dei dispositivi elettronici sono sempre più indispensabili, man mano che i prodotti si riducono di dimensioni. Ci sono inoltre tecnologie specifiche, come i LED, che richiedono un’attenzione specifica alla fase di simulazione termica. Dunque un’offerta speciale su questo tipo di applicativi non può che essere la benvenuta.

I tool software per l’analisi termica sono considerati un lusso da molti progettisti“, sostiene Gianluca Lualdi, responsabile commerciale Cadlog per gli strumenti di analisi, “innanzi tutto perché si pensa che costino cari, e le imprese più piccole non se li possono permettere più di tanto. E poi perché si ritiene che, per utilizzare gli strumenti di analisi termica, servano delle competenze speciali e dunque sia necessario ricorrere al super-esperto di turno, che è alla portata solo delle società di un certo livello”.

Cominciamo dunque a sfatare il mito più duro a morire, quello della complessità. “Oggi ci sono strumenti per la CFD e l’analisi termica che sono veramente alla portata di tutti, in quanto a facilità d’uso”, incalza Lualdi. “Mi riferisco in particolare a quelli prodotti da Mentor, oggi parte del gruppo Siemens, come FloEFD e i tool della famiglia FloTHERM. Provateli di persona e ditemi quanto ci avete messo a effettuare da soli la prima simulazione!”.

Se questo è vero, si apre tutto un mondo di opportunità per i progettisti elettronici che lavorano in piccoli gruppi, se non addirittura da soli. Grazie alla facile accessibilità dei tool software, possono integrare nel lavoro progettuale anche la fase di analisi termica e prototipazione virtuale, dicendo addio alla paura di rimanere tagliati fuori dal mercato.

In quanto ai prezzi, l’offerta messa in campo da Cadlog mina alle fondamenta anche l’altro mito, quello della scarsa accessibilità. Ecco di seguito quali sono i prezzi proposti per due dei tool più ambiti, ma solo fino al 31 gennaio 2018!

Strumenti per la CFD

  • FloEFD Standalone – 25.000 € – Inclusi 12 mesi di manutenzione e 2 gg. di training presso nostra sede di Milano
    • Caratteristiche: Include licenza di SolidWorks Standard
    • Importa dati CAD nativi
    • Include simulazioni: Transitoria, Parametrica e DoE (Design of Experiments)
  • FloEFD for SolidEdge – 13.500 € – Inclusi 12 mesi di manutenzione e 2 gg. di training presso nostra sede di Milano
    • Caratteristiche: Fully embedded in SolidEdge (non include licenza SE)
    • Include simulazioni: Transitoria

Strumenti per l’Electronics Cooling

  • FloTHERM XT Engineering Edition – 14.500 € – Inclusi 12 mesi di manutenzione e 2 gg. di training presso nostra sede di Milano
    • Caratteristiche: Include licenza di SolidWorks Standard
    • Include licenza PADS Standard 3D per creazione o importazione dati PCB (Altium, Eagle, OrCAD, Allegro, Cadstar, PCAD)
    • Include FloEDA Bridge e CircuitWorks per importare dati PCB nativi (IDF)
    • Include SmartLibrary (libreria parametrica di oggetti di dissipazione attiva e passiva)

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Simulazione termica per l’elettronica, le novità di FloTHERM XT V3.0

on 16 Marzo 2017

Per la simulazione termica e l’electronic cooling è interessante scoprire quali sono le novità più rilevanti della versione 3.0 di FloTHERM XT, il tool di Mentor Graphics per l’ottimizzazione termica in ambienti di modellazione 3D elettronica e meccanica. Nella versione 3.0, oltre all’aggiornamento delle tecnologie chiave, ci sono miglioramenti sia dell’efficienza nella progettazione, sia dell’usabilità dell’interfaccia, ma anche maggiore integrazione con altri prodotti EDA. Ecco in sintesi quali sono le maggiori novità in ciascun ambito.

Tecnologie chiave di FloTHERM XT per la simulazione termica

  • Introduzione di 2 nuove SmartParts, il Radial Fan e il Centrifugal Fan.
  • Possibilità di creare la geometria e la definizione del flusso nei Fan con un singolo foglio di proprietà.
  • Modellazione di regioni rotanti, per simulare in modo esplicito gli effetti di geometrie in rotazione.
  • Nuove condizioni al contorno di potenza (W) in funzione della temperatura tra i Thermal Attributes, utilizzando direttamente la temperatura media dell’oggetto a cui è associata.

Miglioramenti dell’efficienza

  • L’attuale studio parametrico è stato migliorato con l’aggiunta della funzione “Design of Experiments”. È utilizzabile per analizzare lo spazio di progettazione, identificare le superfici di risposta e trovare una soluzione ottimizzata.
  • I differenti scenari della DOE possono essere inviati a computer remoti, di cui è possibile ottimizzare l’utilizzo scegliendo come distribuire il calcolo tra le varie macchine.

 Miglioramenti dell’interfaccia utente

  • Nella creazione del modello, vengono mostrate le facce e gli oggetti che possono essere selezionati per una SmartPart non geometrica selezionata, sia a livello di parte, sia di assemblaggio.
  • Possibilità di usare i call-out nella visualizzazione delle SmartPart non geometriche.
  • Rivisti i controlli del Meshing, con l’aggiunta di nuove funzionalità e una migliore usabilità. Le configurazioni della mesh locale sono ora più prevedibili.
  • Migliorata la visualizzazione dei risultati e il post-processing, con le temperature critiche dei componenti, i line plot, l’esportazione in Excel, gli obiettivi di volume e altri aspetti.

Integrazione con altri prodotti di EDA

  • Sono possibili due flussi:
  • Importazione diretta di files da altri tool di progetto tramite FloEDA Bridge
  • Utilizzo di formati di file neutrale per creare e definire modelli senza usare l’interfaccia grafica standard

FloTHERM XT

Ottimizzazione termica in un ambiente di modellazione 3D elettronico e meccanico

FloTHERM XT utilizza l’analisi fluidodinamica (naturale e forzata) e quella termica (conduttiva, convettiva e radiativa) già nelle prime fasi di sviluppo del progetto.

“FloTHERM XT può essere usato in tutte le fasi di progettazione e migliora la qualità del prodotto, la sua affidabilità e il time-to-market”

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Simulazione termica: introduzione a FloTHERM XT

on 2 Febbraio 2017

Tradizionalmente la progettazione termica di apparati elettronici viene lasciata alle fasi finali nei processi progettuali, quando la maggior parte del progetto, sia elettronico che meccanico, è vicina al completamento. Questo approccio porta molta rilavorazione nella fase finale del progetto e spesso ulteriori iterazioni dovute a problematiche individuate durante la prototipazione fisica. Ciò significa costi esorbitanti di progetto, prodotti che arrivano tardi sul mercato e mancanza di tempo per esplorare alternative di progetto migliori e per ottimizzare le strategie in una fase precoce, quando la simulazione avrebbe il massimo impatto sulle scelte compiute.

Per consentire di affrontare questo genere di problemi, Mentor Graphics ha individuato la necessità di dare forma a un processo progettuale continuo che supportasse tutte le fasi della progettazione termica in elettronica, dal concept alla verifica fino alla prototipazione e poi alla produzione. L’intento era inoltre quello di mettere in relazione i flussi della Electronics Design Automation (EDA) e del Mechanical Computer Aided Design (MCAD), ovvero il CAD meccanico, in riferimento al lavoro sia del progettista elettronico, sia dello specialista termico, però concentrandosi solo sul raffreddamento elettronico.

A tal fine, gli sviluppatori hanno sfruttato due dei più potenti DNA: FloTHERM, col suo pedigree da leder del mercato del raffreddamento elettronico per un quarto di secolo e FloEFD, come tecnologia abilitante dell’analisi termica e fluidodinamica (CFD) inserita all’interno del CAD. La sintesi di queste due tecnologie ha portato a FloTHERM XT, un nuovo prodotto specializzato nel raffreddamento elettronico, che supporto i processi progettuali dal concept fino alla produzione, estendendo la linea di prodotto esistente FloTHERM oltre il suo raggio d’azione.

Le fasi della progettazione e della produzione elettronica

Fig. 1 – Le fasi della progettazione e della produzione elettronica

Ciò che rende unico FloTHERM XT è la sua capacità di supportare i requisiti termici di progetto dal concept fino alla verifica finale del progetto, attraverso un’implementazione dettagliata. Nel frattempo mantiene la coerenza del modello dei dati e sostiene in maniera pulita l’evoluzione dei dati quando vengono introdotti cambiamenti di tipo meccanico o nel layout della scheda.

È stata perciò sviluppata un’unica soluzione tecnica che nette in relazione i flussi di CAD elettronico e meccanico, introducendo in particolare una capacità potente, guidata dall’esigenza produttiva e che si auto-aggiorna con l’evolversi del layout del PCB. FloTHERM XT è “CAD-centrico” (figura 2) nel progetto e nelle operazioni, ma ha un’interfaccia utente configurabile, in grado di soddisfare sia le esigenze del progettista elettronico, sia quelle degli specialisti termici che potrebbero non avere bisogno di accedere a tutte le funzionalità del CAD.

L'interfaccia CAD-Centrica di FloTHERM-XT

Fig. 2 – L’interfaccia CAD-Centrica di FloTHERM-XT

Il prodotto è incentrato esclusivamente sulle applicazioni di raffreddamento elettronico ed è stato realizzato sulla base dell’innovativa tecnologia di FloTHERM, inserendo la potenza e sofisticazione di FloEFD, quale tecnologia abilitante per il meshing e la risoluzione dei problemi di fluidodinamica.

Inoltre FloTHERM XT comprende un modulo chiamato FloEFD Bridge (figura 3), nel quale tutti i passaggi della progettazione elettronica sono semi-automatizzati per la preparazione del modello di PCB, compresa la definizione della tensione del componente, consentendo a un modello completo di PCB di essere trasferito direttamente e facilmente all’interno di FloTHERM XT.

L'interfaccia FloEDA Bridge di FloEFD

Fig. 3 – L’interfaccia FloEDA Bridge di FloEFD

FloTHERM è disponibile sia come tool autonomo, sia come estensione delle funzionalità di PADS, sotto il nome di PADS FloTHERM XT.

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