PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TẢI TRƯỚC VỚI CÁC MÔ HÌNH NHIỆT SIMCENTER FLOEFD

Bạn còn nhớ ENIAC, hệ thống máy tính điện tử đầu tiên nặng 30 tấn và chiếm hơn 90 m2? Rất may, sự tiến bộ của thiết kế điện tử vẫn chưa dừng lại và giờ đây, một chiếc điện thoại thông minh điển hình có thể thực hiện hàng tỷ thao tác mỗi giây. Sự kết hợp của các linh kiện điện tử hiệu suất cao và kích thước PCB giảm giúp tăng tốc độ xử lý tín hiệu. Bây giờ, việc thu nhỏ các thiết bị điện tử lại làm tăng mật độ công suất và tản nhiệt từ các thiết bị điện tử.

Kết hợp mô hình nhiệt và điện

Thiết kế hệ thống điện và nhiệt riêng biệt có thể dẫn đến nhiều vấn đề khác nhau như thay đổi thiết kế muộn do quản lý nhiệt kém. Sự chậm trễ ở các giai đoạn thiết kế của một sản phẩm là không thể chấp nhận được trong môi trường hiện tại, do đó cả hệ thống điện và nhiệt nên được thiết kế như một. Để tránh sự kém hiệu quả này, nhóm Simcenter FLOEFD đã công bố tính năng Thermal Netlist VHDL Export. Đây là bước đầu tiên hướng tới một thiết kế điện nhiệt thực sự có giới hạn, chỉ một môi trường nhiệt duy nhất (tức là hệ số truyền nhiệt ngoại vi) có thể được mô phỏng với mô hình đã trích xuất.

Để loại bỏ hạn chế này, các mô hình Boundary Condition Independent Reduced Order Models (BCI-ROMs) đã được ra mắt có thể được xuất ở định dạng IEEE Standard 1076.1 VHDL-AMS từ bản phát hành gần đây của Simcenter FLOEFD 2021.1. Các mô hình được trích xuất này độc lập với điều kiện biên, cho phép thay đổi môi trường nhiệt mà vẫn duy trì mức độ chính xác được yêu cầu. Nhiều nguồn nhiệt tạm thời vẫn được hỗ trợ đầy đủ.

BCI-ROM từ Simcenter FLOEFD trong môi trường mô phỏng mạch: các linh kiện nhiệt và điện được kết nối với nhau

Như có thể thấy ở hình trên, một mô hình BCI-ROM nhiệt và điện hiện có thể được kết nối với nhau và được sử dụng trong một hệ thống duy nhất. Trong quá trình mô phỏng, một thành phần điện sẽ tạo ra nhiệt, nhiệt này sẽ được sử dụng trong mô hình nhiệt để tính toán nhiệt độ của linh kiện. Vì các mô hình điện và nhiệt được viết bằng cùng một ngôn ngữ nên chúng sẽ được xử lý cùng một lúc.

Chuỗi cung ứng mô hình VHDL-AMS

Tạo BCI-ROM nhiệt ở định dạng VHDL-AMS giúp chúng có thể di động và dễ sử dụng trong bất kỳ môi trường mô phỏng điện tử nào hỗ trợ VHDL-AMS. Mặc dù việc cung cấp mô hình điện của một chi tiết hoặc thiết bị là thông lệ phổ biến giữa các nhà sản xuất điện tử, nhưng điều này lại không đúng với các mô hình nhiệt. Tuy nhiên, điều này chuẩn bị thay đổi. Giờ đây, một nhà sản xuất máy ảnh (hoặc bất kỳ thiết bị nào), có BCI-ROM nhiệt và các mô hình điện có thể yêu cầu các mô hình tương tự từ nhà sản xuất chip để kết nối chúng với mạch điện. Đây là tình huống đôi bên cùng có lợi cho cả đội kỹ thuật điện và nhiệt, vì hiệu suất của thiết bị có thể được phân tích trong các điều kiện nhiệt khác nhau và các chiến lược kiểm soát công suất có thể được thiết kế phù hợp hơn.

Ví dụ về máy ảnh ADAS

Mọi thứ sẽ dễ hiểu hơn nếu có một ví dụ, hãy xem cách một BCI-ROM nhiệt được xuất từ Simcenter FLOEFD, giải pháp đa vật lý nhúng CAD, có thể được kết nối với một mạch điện trong PartQuest Explore, phần mềm đám mây mô phỏng mạch.

Một mạch điện nhiệt của một camera ADAS nói chung đã được thiết kế, kết hợp một số cấu hình năng lượng để tạo ra các tính năng hỗ trợ người lái đơn giản và chế độ tự lái hoàn toàn đã được mong đợi từ lâu. Mô hình này cũng tính đến việc điều tiết nhiệt.

Mô hình nhiệt 3D và BCI-ROM của một SoC

Mô hình 3D của một SoC từ Simcenter FLOEFD

Trước tiên, chúng tôi đề cập đến các nhà sản xuất chip, hãy xem cách xuất một BCI-ROM nhiệt từ Simcenter FLOEFD. Dưới đây là hình ảnh BCI-ROM nhiệt được nhập của Hệ thống chung trên chip (SoC) được sử dụng trong máy ảnh ADAS. Các kết nối nhiệt (tức là lưới màu đỏ) có khả năng mang thông tin nhiệt độ và công suất. Tuy nhiên, điện trở nhiệt (Rth) phải được chỉ định cho mỗi mặt biên.

Khuôn của SoC chính có 3 vùng nguồn nhiệt: CPU, Bộ xử lý Vector (VP) và Khả năng kết nối. Để truyền nhiệt sinh ra từ SoC sang PCB và tản nhiệt phải có 2 điều kiện biên đã được xác định.

BCI-ROM của một SoC được xuất từ Simcenter FLOEFD và nhập vào PartQuest Explore

Tích hợp BCI-ROM nhiệt vào một mô hình mạch điện

BCI-ROM nhiệt có thể được sử dụng riêng lẻ (tức là được kết nối thẳng với mạch điện qua cổng nhiệt) hoặc để tạo mạch nhiệt. Khi kết nối các mô hình nhiệt với nhau, bạn phải chỉ định điện trở nhiệt giữa BCI-ROM và đối tượng nhiệt tiếp theo trong hệ thống. Trong ví dụ này, SOC, DSP và chip nhớ được xuất từ ​​Simcenter FLOEFD dưới dạng BCI-ROM nhiệt và sau đó được kết nối với PCB và vỏ của máy ảnh hoạt động như một bộ tản nhiệt. Một điện trở nhiệt nhỏ giữa PCB và SoC đã được giả định, được chỉ định trong mô hình. Giá trị cao hơn có thể được chỉ định cho kết nối nhiệt với bộ tản nhiệt để mô phỏng tác động của vật liệu giao diện nhiệt. Các mặt biên nhiệt của SoC được kết nối với các nguồn nhiệt PCB BCI-ROM tương ứng. Điều này cho phép truyền nhiệt từ linh kiện đến vị trí vật lý chính xác trên PCB một cách hiệu quả. Nhiệt sẽ được tản ra khi nó đạt đến tham chiếu nhiệt của môi trường xung quanh sau khi di chuyển qua PCB BCI-ROM.

Trong khi các thành phần nói trên có BCI-ROM nhiệt riêng thì một bộ điều chỉnh bậc thang đã được lắp đặt trong BCI-ROM “PCB và vỏ”. Mặc dù nó không được xuất ra dưới dạng một thành phần riêng biệt, nhưng nó vẫn có kết nối nhiệt vì nó được mô hình hóa như một nguồn nhiệt nhiệt trong mô hình 3D. Sơ đồ dưới đây cho thấy một ví dụ về mạng nhiệt. Chú ý cách các BCI-ROM nhiệt của các thành phần được kết nối với BCI-ROM nhiệt của PCB thông qua các lưới nhiệt đi từ các mặt biên đến các nguồn nhiệt.

Một phần của mạch điện nhiệt hoàn chỉnh

Dưới đây là danh sách các thành phần tạo nên một mạch điện:

  • Mô hình phân tán công suất thiết bị kỹ thuật số (Digital Device Power Dissipation Model) hoặc DDPDM. Mô hình này cho phép bạn biểu diễn sự tiêu tán công suất của bất kỳ mạch tích hợp kỹ thuật số có xung nhịp nào. Nhiệt độ của IC, điện áp đặt vào, tần số xung nhịp và trạng thái hoạt động được sử dụng làm đầu vào để tính toán công suất tiêu tán.
  • Trình tự trạng thái hoạt động (Operating State Sequence). Mục này cho phép bạn xác định các giá trị công suất cho các tình huống khác nhau. Có 3 trạng thái trong ví dụ này: không hoạt động, hỗ trợ người lái và tự chủ hoàn toàn. Người dùng có thể dễ dàng thay đổi thời lượng của các trạng thái và thứ tự của chúng.
  • Bộ điều khiển quản lý nhiệt động (Dynamic Thermal Management – DTM). Đây là một bộ điều khiển tốc độ đồng hồ đơn giản, làm giảm (giảm một nửa) tần số xung nhịp của SoC nếu nhiệt độ của nó vượt quá 60 độC và tăng (nhân đôi) tần số đồng hồ nếu nhiệt độ dưới 50 độC.
  • Ắc quy: Được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thành phần điện.
  • Bộ chuyển đổi buck: Đưa điện áp xuống giá trị xác định.

Ngăn ngừa quá nhiệt – Quản lý nhiệt động

Biểu đồ bên dưới thể hiện chiến lược nhiệt ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của camera ADAS. Trong trường hợp sử dụng chuyên sâu nhất, đó là khi trạng thái hoạt động “tự chủ hoàn toàn” được kích hoạt, nhiệt độ của SoC vượt quá giá trị ngưỡng do sự tiêu tán công suất tăng lên dẫn đến điều chỉnh nhiệt. Để tránh quá nhiệt, bộ điều khiển DTM giảm tần số xung nhịp xuống 50%, điều này làm giảm mức tiêu tán điện và nhiệt độ của SoC. Thật không may, hiệu suất của camera cũng sẽ bị ảnh hưởng trong trường hợp này và ảnh hưởng đến sự an toàn.

Quản lý nhiệt động đang hoạt động, tần số xung nhịp giảm một nửa khi nhiệt độ CPU đạt 60 độ C

Khám phá khả năng của BCI-ROMs

Ảnh chụp màn hình mạch điện PartQuest Explore với BCI-ROM nhiệt từ Simcenter FLOEFD

Đây là liên kết đến mô hình PartQuest Explore được hiển thị trong bài đăng này: https://explore.partquest.com/node/465264

Thay đổi bất kỳ thông số nào bằng cách nhấp đúp vào một thành phần và chạy mô hình với cài đặt của bạn hoặc nhấp vào nút “Edit in PartQuest Explore” để tạo một bản sao và hãy cố gắng:

  1. Xác định tác động của việc thay đổi nhiệt độ môi trường đến 20 độC.
  2. Tạo một chiến lược khác cho bộ điều khiển DTM.
  3. Giảm sức cản nhiệt giữa vỏ của máy ảnh và môi trường bên ngoài. Có một thiết kế tản nhiệt nào khác có thể ngăn quá nhiệt không?

Tài nguyên bổ sung về lập mô hình thứ tự giảm

Dưới đây là video cho thấy lý do tại sao nên sử dụng BCI-ROM và cách xuất chúng bằng Simcenter FLOEFD:

Nguồn: Siemens

Bình luận

Bình luận

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *