Российские ученые из МИЭМ ВШЭ разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно рассчитывать, как нагреваются электронные компоненты во время работы, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку. При работе электродвигателей или другого оборудования их электронные детали (особенно транзисторы) сильно нагреваются, потому что при прохождении тока неизбежно выделяется тепло. Когда происходят резкие перепады температуры при включении и выключении устройства, параметры транзисторов меняются, и техника может выйти из строя.
Чтобы этого избежать, важно уметь прогнозировать, как именно будет нагреваться и остывать электронный компонент в реальных условиях работы. Это позволяет правильно спроектировать устройство, условия охлаждения компонентов, снизить нагрузку на элементы и продлить срок службы техники.
Сегодня для прогнозирования перегрева техники инженеры используют два основных подхода. Первый — подробное численное 3D-моделирование тепловых процессов на основе пакетов ANSYS, Flotherm, Comsol и других. Такой метод 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 требует затрат времени на формирование электротепловых моделей и не всегда учитывает реальные особенности конструкции печатной платы и системы охлаждения.
Ученые предложили объединить преимущества обоих методов. Они создали многоуровневую автоматизированную систему, в которой пакет Comsol используется для моделирования полупроводниковых приборов вместе с корпусами и уточнения тепловых моделей корпусов компонентов, SPICE — для анализа электрической схемы, содержащей описания электрической и тепловой частей, а «АСОНИКА-ТМ» — для моделирования нагрева печатной платы и расчета температур компонентов. Дополнительно они разработали специальные программные инструменты, которые автоматизируют расчет мощностей компонентов и передают данные о температурах компонентов между различными модулями расчета. То есть они связали разрозненное программное обеспечение между собой дополнительными модулями, чтобы ускорить расчеты. В итоге скорость формирования электротепловых моделей мощных компонентов для расчетов электротепловых процессов выросла в 5–10 раз по сравнению с ручным формированием электротепловых схем. Результаты работы опубликованы в журнале Russian Microelectronics.
Новую методику сотрудники МИЭМ ВШЭ протестировали на реальной печатной плате драйвера для управления шаговым двигателем. Это устройство, которое заставляет двигатель вращаться с нужной скоростью. На этой плате установлены мощные MOSFET-транзисторы, которые сильно нагреваются при работе. Результаты моделирования тепловых режимов схемы сравнили с данными тепловизионных измерений, и они были близки.
«Мы убедились на практике, что наши расчеты близки к реальным тепловизионным измерениям. Это значит, что методика работает корректно и может применяться в реальных инженерных задачах», — заключил один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ Игорь Харитонов.
По его словам, раньше 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», — подчеркнул Игорь Харитонов.
Новая методика позволяет инженерам 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.
Исследование выполнено в рамках проекта НИУ ВШЭ «Цифровая трансформация: технологии, эффекты, эффективность» программы «Приоритет-2030».