Análise Térmica de Equipamentos Eletrônicos


A simulação computacional está ganhando cada vez mais espaço em projetos industriais. Em projetos de equipamentos eletrônicos, especialmente de potência, o gerenciamento térmico é uma questão chave no bom funcionamento dos equipamentos. Uma temperatura elevada pode danificar os diversos componentes encontrados no interior de equipamentos eletrônicos. São notáveis os benefícios que podem ser obtidos através da otimização de diversos aspectos do projeto, como por exemplo, definição e melhor posicionamento de coolers, espessura das camadas de cobre e layout de PCIs, determinação de “heat sinks” ideais, além de diversas informações obtidas rapidamente com simulações como identificação de áreas de recirculação, trajetória do fluido dentro de equipamentos e data centers. Estas técnicas aliadas a automatização e facilidade das ferramentas ANSYS garantem a redução do tempo de desenvolvimento de projeto e robustez do produto. A indústria de eletrônicos possui grandes demandas e a simulação numérica é uma aliada no desenvolvimento de soluções.
Linhas de correntes (Streamlines) em uma simulação no ANSYS AIM

Linhas de correntes (Streamlines) em uma simulação no ANSYS AIM

As ferramentas ANSYS possibilitam realizar uma análise numérica completa. Há disponíveis ferramentas de dinâmica dos fluidos computacionais (CFD) para o cálculo de escoamentos, isso possibilita verificar as trocas térmicas realizadas pelo sistema de circulação de ar. Recentemente, o software ANSYS AIM tem ganhado espaço pela sua simplicidade na abordagem de problemas de engenharia. Nele há um workflow onde é possível realizar todas as etapas de uma analise de simulação, desde a geometria inicial até a análise dos resultados finais, por exemplo.
Em todo o projeto de equipamentos há a criação da geometria (CAD do projeto) e o processo de manufatura é feita a partir deste arquivo. Fundamentado no mesmo arquivo, é possível fazer uma analise numérica, incluindo as físicas do problema. Basicamente há cinco passos em uma análise de simulação:

  • obter a geometria de análise (CAD do projeto);
  • criar a malha computacional (domínio de cálculo);
  • incluir as físicas de interesse;
  • resolver numericamente o problema proposto;
  • analisar os resultados.

Figura 2 Linhas de correntes e Perfis de Temperatura no interior de um gabinete em uma simulação no ANSYS AIM

Linhas de correntes e Perfis de Temperatura no interior de um gabinete em uma simulação no ANSYS AIM.

Em uma analise de CFD é possível extrair informações térmicas do sistema. Ela torna possível analisar a distribuição de temperaturas no interior do equipamento, possibilitando visualizar pontos quentes. Além disso, as Streamlines (que são os caminhos percorridos pelo escoamento) possibilitam verificar a existência de caminhos preferenciais e também visualizar regiões com recirculações. Nessa perspectiva é possível verificar a influencia da disposição espacial de cada peça e/ou componente dentro do sistema, buscando a melhor configuração.
Análise multifísica de uma PCI utilizando ANSYS SIwave, ICEPAK e Mechanical

Análise multifísica de uma PCI utilizando ANSYS SIwave, ICEPAK e Mechanical

Existem casos onde as análises demandam uma maior complexidade. Um exemplo seria a necessidade de um cálculo preciso de perdas por efeito Joule devido à altas correntes, onde o layout de uma placa de circuito impresso (PCI) afeta a distribuição térmica e por conseguinte resulta em stress térmicos. Para estas situações, a ANSYS possui produtos específicos como o ANSYS SIwave, que é especializado em analises DCIR e eletromagnéticas de PCIs, o ANSYS ICEPAK que é uma ferramenta especifica para analises térmicas de equipamentos eletrônicos, e o ANSYS Mechanical que realiza análises estruturais considerando o layout da PCI e também as temperaturas calculadas pelo ANSYS ICEPAK. Este fluxo é detalhado na figura abaixo, onde observa-se o modelo matemático da PCI e também do encapsulamento do circuito integrado. O chip também pode ser uma fonte de calor, e um modelo conhecido como CTM (Chipp Thermal Model) pode ser criado pelo ANSYS Redhawk para uma análise extremamente precisa e completa.
Análise térmica no ANSYS ICEPAK

Análise térmica no ANSYS ICEPAK

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