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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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Power distribution network design: ottimizzare l’alimentazione a livello di sistema

on 1 Febbraio 2018

Il design della power distribution network (PDN) è oggi uno degli elementi più critici, nell’ambito di un progetto elettronico, a causa di una serie di fattori che incidono in modo rilevante sulle scelte progettuali. Tali fattori sono riconducibili al mercato, prima ancora che alla tecnologia.

Power distribution network design: i fattori di mercato

In questo momento storico, la maggior parte delle decisioni sul business dei prodotti elettronici si basa su tre fattori:

  1. La differenziazione del prodotto. Bisogna rendere il prodotto più piccolo, più veloce, più leggero e persino con più funzionalità, rispetto alla concorrenza, senza compromessi sulla sua qualità, l’affidabilità e le prestazioni. Questo significa trovare compromessi tra miniaturizzazione e aumento delle funzionalità.
  2. Il costo. Ogni settore industriale è ormai soggetto a una costante pressione per ridurre i costi di prodotto e di sviluppo.
  3. Il tempo. Anche qui esiste una costante pressione per accelerare il time-to-market, il che si traduce in un impatto crescente sul team di progettazione, che deve ottenere un progetto funzionante riducendo al minimo la prototipazione.

La pressione sul team di progettazione è dunque molto forte e in questo articolo ne esamineremo le conseguenze dal punto di vista del design per l’integrità del segnale e della potenza.

Un’altra variabile importante, a livello di mercato, è costituita dal settore industriale. Un’azienda come Samsung, ad esempio, si deve focalizzare sulla produzione dei suoi telefoni in 5 mesi, anziché in 6, con meno strati elettrici e una maggiore qualità del prodotto. Altri tipi di aziende, come ad esempio Boeing, sono vincolate a programmazioni di produzione fisse, che devono assolutamente rispettare, concentrandosi pure maggiormente sulla qualità e su strutture operative snelle – cosa spesso non facile. Altre, come Huawei, si concentrano sulla densità del progetto elettronico, aumentando il numero di funzionalità presenti nei dispositivi, tramite metodologie avanzate di packaging.

I diversi fattori di business in genere non possono essere affrontati con un solo strumento. Serve piuttosto una combinazione di processi e di modifiche rispetto agli strumenti impiegati, che deve andare di pari passo con l’evolversi delle esigenze.

L’ottimizzazione del power distribution network design a livello di sistema

L’ottimizzazione dell’alimentazione nel progetto del PCB è un problema che si pone a livello di sistema. Si presenta inizialmente con la progettazione di circuiti integrati a bassa potenza, grazie soprattutto a due fattori:

  • Le alimentazioni multiple. Per fornire la giusta quantità di energia a ciascun dispositivo e a ciascuna sezione all’interno di un dispositivo (ad esempio I / O, memoria, CPU), i progetti vengono dotati di più linee di tensione (ad esempio 5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V). Questi valori possono scendere a 0,8 V e anche meno. La tolleranza di commutazione è in genere il 5% del valore di tensione. Dunque con valori inferiori le tolleranze risulteranno più basse, con maggiori possibilità di rendere il circuito non efficace o addirittura non operativo per problemi di rumore.
  • L’aumento degli assorbimenti di corrente. Una maggiore funzionalità condensata in chip più piccoli richiede più corrente. È il caso ad esempio dei SOIC (Small Outline Integrated Circuit), i package che occupano dal 30 al 50% di superficie in meno rispetto a equivalenti DIP (Dual In-line Package).

Power distribution network designL’impatto sulla progettazione del PCB a livello di sistema si pone principalmente come necessità di più reti di distribuzione dell’energia, cioè di power distribution network (PDN). Ogni linea di tensione ha una sua PDN. Questo significa avere più piani diffusi (o piani misti, che contengono più alimentazioni). Se l’alimentazione non viene erogata ai circuiti integrati in modo pulito e con energia sufficiente, è possibile che si verifichino malfunzionamenti; ad esempio mancate commutazioni. Se i piani hanno densità di corrente elevate, possono verificarsi rotture del dielettrico o dei via, con conseguenti guasti della scheda, nel corso del tempo, e conseguente impatto significativo sull’affidabilità di prodotto.

Power distribution network designInoltre, per fornire la corretta alimentazione quando gli IC la richiedono, sono necessari più condensatori di disaccoppiamento. Ciò obbliga ad avere una maggiore area totale della scheda, con conseguente aumento del costo del prodotto, soprattutto per la componentistica passiva.

Il progetto ideale non esiste nel mondo reale

Nel power distribution network design, il progettista opera con parametri che fanno riferimento a situazioni teoriche che non hanno una piena corrispondenza con la realtà.

Nel mondo ideale del progetto, i piani sono compatti, distribuiti su tutta la scheda e separati da un dielettrico sottile, che fornisce una capacità superiore tra di essi. I condensatori di disaccoppiamento sono molto vicini, per ridurre al minimo gli effetti fisici della scheda. Inoltre i valori sono distribuiti su un intervallo che è calcolato per mantenere l’impedenza del piano bassa su tutte le frequenze. Infine i progettisti si riferiscono alla selezione della tipologia dei condensatori per ottenere un’impedenza target, per assicurarsi l’esatta definizione del profilo di impedenza.

Il modello Swiss Cheese (formaggio svizzero) descrive una modalità di avvenimento degli incidenti. Sebbene siano stati posti diversi livelli di difesa, i difetti presenti in ciascun livello, se allineati, possono provocare l’incidente.

Nel mondo reale le cose stanno diversamente. Possono esserci ad esempio fino a 15/20 linee di tensione, ognuna delle quali richiede la propria PDN. Poiché il costo di molti piani di alimentazione dedicati è troppo alto, le differenti PDN verranno definite e spesso frammentate su meno strati. Ciò si traduce in aree di rame non ottimizzate, ad esempio con strozzature che alzano i valori di densità di corrente, limitandone il corretto scorrimento, e perforazioni eccessive, causate dalle operazioni di fan-out, con relativo effetto “Swiss Cheese. Lo spazio per il posizionamento dei condensatori, inoltre, è sempre più limitato, con inoltre conseguente difficoltà nel loro corretto posizionamento. Il risultato è che la progettazione della PDN può risultare confusa, contraddittoria, complessa, perfino conflittuale. Venendo poi il profilo di impedenza affrontato sulla base di un modello ideale (l’impedenza si riduce all’aumentare della frequenza), risulta poco efficace il filtraggio al variare delle frequenze.

Nella seconda parte di questa analisi vedremo come nel power distribution network design incidono le variabili costo e tempo e come devono operare i team di progettazione, entrando più nello specifico delle problematiche di Power Integrity.

(fine prima parte)

T’interessa l’argomento? Scarica la presentazione di Ivano Tognetti:

La presentazione completa di Ivano Tognetti su “L’ottimizzazione della progettazione della Power Distribution Network a livello di sistema”, uno strumento prezioso a disposizione dei progettisti elettronici che sono tutti giorni alle prese con progetti sempre più complessi.

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Ivano TognettiPower distribution network design: ottimizzare l’alimentazione a livello di sistema

Caduta di tensione: non permettete che lasci i vostri prodotti fuori dal mercato

on 24 Novembre 2016

Oggi la nostra aspettativa nei confronti di un dispositivo elettronico è che funzioni sempre in maniera impeccabile, senza eccezioni. Appena c’è un minimo malfunzionamento, ci sembra inaccettabile. Specialmente lo smartphone deve funzionare sempre a perfezione, durare il più possibile ed essere affidabile in ogni circostanza ambientale. Appena qualche anno fa, i cellulari erano in grado solo di telefonare e la carica della batteria durava a mala pena un giorno!

Gli attuali smart watches hanno più intelligenza dei precedenti telefoni, i dispositivi wearables ci informano in tempo reale sul nostro stato di salute e con gli smartphone ci facciamo di tutto, da organizzare la giornata a gestire le foto di famiglia, da ascoltare la musica a scambiare messaggi. Ormai l’asticella delle aspettative nei confronti di questi dispositivi personali si è alzata in modo irreversibile.

Occhio alla caduta di tensione nella PDN

Qual è il segreto per avere dispositivi elettronici così longevi e performanti? Secondo Jim Martens, Product Marketing Manager a Mentor Graphics, sta tutto nella power delivery network (PDN). “Magari non ci viene subito in mente” – dice Jim – “ma è cruciale avere una power delivery network che non perde troppa tensione nelle tracce e nei cavi che collegano la sorgente di energia ai chip affamati che essa alimenta”.

“I moderni circuiti integrati sono caratterizzati da una forte domanda di corrente“, prosegue Jim Martens. “Così, se si vuole mantenere l’alimentazione elettrica all’interno del range di tolleranza, il prodotto che si cerca di progettare non durerà molto nel mondo reale”. Dunque il segreto sta nel garantire che la PDN sia soggetta a una caduta di tensione minima. “Se mi dite che vi limiterete a realizzare un prototipo e ripartire da lì, vi risponderò che c’è di sicuro un modo migliore”, afferma Jim.

La soluzione sta nell’uso di uno strumento come PADS HyperLynx DC Drop, una componente significativa della PADS Product Creation Platform. PADS HyperLinx DC Drop consente di prevedere dove e come avviene la maggior parte della perdita di tensione, prima che la scheda venga realizzata concretamente. “Questo software di simulazione”, ci spiega ancora Jim Martens, “prende il layout del PCB da PADS, aiuta a valutare le fonti e le perdite di tensione e ti mostra in maniera intuitiva la perdita di tensione e il current crowding per una o per tutte le nets di alimentazione”.

“Con la conoscenza di dove e quanta perdita di tensione si sta verificando, si può tornare al layout, aggiungere più rame, e procedere alla fase successiva del progetto con serenità”, chiosa Martens. “Essere competitivi in questo tipo di industria, che tu sia un progettista in erba o un veterano stagionato, significa adottare le migliori pratiche di progettazione”.

Ecco perché una componente software come PADS HyperLynx DC Drop va assolutamente considerata quando si compone il carrello della spesa della strumentazione per la progettazione di prodotti elettronici.

PADS HyperLynx DC Drop

Analisi dei problemi relativi alle alimentazioni integrata nel CAD per il PCB Design

PADS HyperLynx DC Drop permette di identificare rapidamente nel progetto i problemi delle cadute di tensione e dei carichi di corrente

“PADS HyperLynx DC Drop ottimizza le Power Distribution Network per un’alimentazione dei circuiti integrati pulita, efficiente e multi-rail”

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Evitare la caduta di tensione sui piani di alimentazione del PCB (DC Drop)

on 23 Marzo 2016

La caduta di tensione sui piani di alimentazione (DC Drop) è un problema sempre più ricorrente nei circuiti stampati e in particolare nella progettazione della Power Distribution Network (PDN). Col crescere della complessità, e la conseguente necessità di progettare i PCB su più piani con alimentazioni uniformi, si creano disposizioni geometriche nelle quali le “strozzature” sono all’ordine del giorno. Gli assottigliamenti delle aree dei conduttori sono la principale causa di aumento della corrente e dunque di surriscaldamento.

I circuiti integrati odierni, in particolare, richiedono tensioni inferiori rispetto al passato, con conseguente diminuzione della tolleranza progettuale. Da qui derivano margini di progetto inferiori e maggiori possibilità di guasto. Ciò comporta crescenti interazioni progettuali e dunque incrementi dei costi, in termini di ingegnerizzazione, materiali, più il costo implicito dovuto all’inevitabile ritardo per il rilascio del prodotto sul mercato.

Dunque c’è una relazione diretta tra l’abbassamento della tensione operativa dei circuiti integrati e la riduzione dei margini operativi generali.

Alta perforazione e alte temperature

Un altro problema che deriva dalla crescente densità dei PCB è l’alta perforazione dei piani di alimentazione. Quest’ultima comporta che nel piano del circuito ci sia meno rame disponibile e si creino alte densità di corrente localizzate, soggette a riscaldamento eccessivo. In tali aree potrebbero verificarsi delle rotture del circuito stampato, con conseguente incremento delle interazioni progettuali e incrementi dei costi, come già visto per l’abbassamento delle tensioni operative.

caduta di tensione nel PCB

In pratica, dovendo assicurare tensione sufficiente ai pin di ogni circuito integrato, si incorre nel problema della discontinuità sui piani (tagli, forature), i quali limitano i flussi di corrente. La quantità di rame necessaria per convogliare la giusta quantità di corrente è molto complessa da valutare, proprio a causa delle discontinuità dei piani. Si crea pertanto la seguente relazione:

Strozzature PDN -> Incremento Corrente -> Incremento Temperature

È stato calcolato il costo di una caduta di tensione critica sulla PDN. Considerando 5 progetti l’anno e una percentuale di fallimento del 5% a causa del DC Drop su PDN, sono necessarie 2 settimane/uomo di progettisti PDN per gestire il riciclo. L’eliminazione di questo problema comporterebbe un risparmio di 188 mila dollari l’anno, oltre ai benefici derivanti dall’arrivare puntuali sul mercato. Ecco il dettaglio del calcolo:

costi-caduta-tensione-pdn

Il nuovo HyperLynx DC Drop PE

Per fare fronte in modo economicamente sostenibile alla caduta di tensione sui piani di alimentazione, Mentor Graphics ha introdotto HyperLynx DC Drop PE, un applicativo “low-cost” che serve proprio a evitare le iterazioni di progetto causate da problemi relativi al disegno della PDN.

HyperLynx DC Drop PE permette l’impiego con sicurezza di circuiti integrati con tensioni operative basse, identificando quali di tali integrati non sono alimentati correttamente.

Il tool aumenta inoltre l’affidabilità del progetto, poiché aiuta a ridurre le intermittenze di funzionamento causate dalla scarsa tensione di alimentazione degli integrati.

Tutto ciò si traduce in minori iterazioni, maggiore affidabilità, costi più bassi:

  • costi minori di ingegnerizzazione;
  • costi minori di materiale/PCB;
  • costi minori per il ritardo di rilascio sul mercato.

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Ivano TognettiEvitare la caduta di tensione sui piani di alimentazione del PCB (DC Drop)