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

di Cadlog 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

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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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