隨著消費類電子產品功能需求的日漸增長，PCB載流需求也日益增大，導致熱管理問題尤為突出。局部電流密度過大、板子溫升過高等情況對電子產品的穩定性和功能性將產生不可忽略的影響。過大的載流導致溫升過高，而過高的溫升又將帶來更大的功耗，形成反復相互作用的惡性循環，輕則元器件效率降低，重則板子完全失效。

如何在不影響原有設計思路的前提下，規避這類潛在隱患成為工程師們關注的重點。在此背景下，添加匯流條的方案應運而生。電熱協同仿真軟件PhysimET順應廣大用戶需求，致力于解決這一痛點，獨家支持在PCB上添加多類匯流條進行仿真。

產品介紹

PhysimET&PhysimML

電熱協同仿真軟件PhysimET是PhysimML多物理場平臺的重要組成部分，其支持添加匯流條進行直流電熱仿真，最大程度還原實際應用場景，具有高度的靈活性和廣泛的適配性。

PhysimML是芯瑞微(上海)電子科技有限公司推出的具有自主知識產權的多物理場仿真平臺。通過該平臺，用戶能夠完成多層設計結構的仿真分析，涵蓋PCB與封裝的電、熱、電熱、電熱應力以及電熱磁等多物理場。一站式解決板級、封裝級的多物理場仿真場景，PhysimML能夠幫助用戶快速定位問題，預測潛在的設計隱患，進而優化產品設計，降低設計成本，縮短開發周期，提高電子產品的市場競爭力。

添加匯流條——作用與設計

匯流條作為一種金屬幾何結構，主要用于輔助載流和散熱，尺寸和形狀根據用戶需求定制。通過PhysimET，用戶能夠快速、高效、低成本的分析PCB正常或極限運作狀態下的電氣、散熱特性，進而規劃匯流條的最佳布局，有效減小電流熱點、降低溫度熱點，輔助用戶選擇合適的散熱方案，以確保PCB在長時間高負載工作下能夠保持穩定的工作溫度，避免在生產階段出現問題后需要重新設計或更換零部件的情況。這不僅節約了前期的設計成本和后期的調整、維護成本，還有效提高電子產品的安全性、可靠性、效率性和功能性，加速產品的迭代周期，提升市場競爭力。

實例演示——步驟與分析

本文將以實例演示如何使用PhysimET對PCB添加匯流條實現板級電熱協同仿真。本案例基于一個大型服務器的PCB，切割出其中一部分，從實際應用場景出發，向用戶展示真實、可靠且常見的大型服務器板級仿真，驗證匯流條的重要性和實用性。

仿真設置步驟

01

案例模型導入
選擇需要仿真的案例并將其導入，此案例基于某大型服務器的PCB中的一部分，導入后模型如下圖所示。

案例TOP層設計視圖

02

修改仿真材料信息
檢查疊層信息和相關材料，將所有仿真涉及到的材料修改為具有電熱屬性的材料。PhysimET材料庫包含了大部分常用的材料，可供用戶選擇。

材料庫界面展示

03

構建電源回路

本案例的電路模型由一個源端和兩個載端構成，設置源端電壓值為12V;兩個載端各載流50A。

仿真電氣模型參數設置示意圖

04

提取電源樹

隨后提取電源樹查看電路連接情況。

電源樹

05

分析設計布局，添加匯流條

通過分析此真實服務器案例的設計布局，發現其電源網絡的部分銅皮覆蓋面積較窄，如下圖所示。然而此路徑要通過的載流高達100A，這勢必會導致狹窄的銅皮路徑區域電流密度較大、溫度也較高，因此選擇一個在不影響原有設計并能優化此潛在隱患的方案，即添加匯流條。

 

狹窄銅皮區域示意圖

在本案例的狹窄電源網絡銅皮上添加38根尺寸、高度不一，物料為銅的匯流條，通過PhysimET的匯流條設置界面，僅需10秒就可以完成所有設置，添加完匯流條的案例2D模型視圖如下。

2D視圖下TOP層匯流條布局

設置完成后查看板子和匯流條一體化的3D模型，如下圖所示。

Top層的匯流條布局3D示意圖

Bottom層的匯流條布局3D示意圖

06

熱仿真場景設置

本案例的仿真場景為添加匯流條的裸板焦耳熱仿真，在軟件設置界面選擇Joule heating only即可。

熱仿真場景設置

07

設置熱仿真條件

本案例為自然對流下的裸板焦耳熱仿真，環境溫度為25度，如下圖所示。

熱仿真條件設置

對比分析

以上是所有的仿真設置步驟。仿真結束后，通過對比添加匯流條前后的電流密度仿真結果云圖，可以明確觀察到匯流條起到了顯著的輔助載流作用。

 

添加匯流條前后的電流密度結果對比

 

對比添加匯流條前后的功耗結果，可見添加匯流條后功耗降低了18.6W。

添加匯流條前后功耗、溫度結果

在仿真時PhysimET會將PCB和匯流條共同建模進行全3D網格剖分，使仿真模型無限接近于實際物理模型，確保最終仿真結果的準確度和可信度。

添加匯流條后的案例模型3D網格剖分示意圖

對比添加匯流條前后的溫度分布結果，可以得到以下結論：如下圖所示，在未添加匯流條前，板子中的狹窄銅皮區域顯示出明顯的高溫分布，介于68度至77度之間。相比之下，添加匯流條后，同一區域的溫度分布顯著降低至40度至50度之間，且溫度的分布趨勢也有顯著的變化。由此可見，匯流條的引入十分有效地優化了溫度分布和散熱方案。

溫度結果分布云圖

總結

在Layout View中，PhysimET支持以2D視角切換疊層，查看匯流條的位置以及設計的布局。相比于3D，2D的可視化效果更為突出，能夠更清晰的展示每一層的設計和仿真設置，有助于用戶及時發現和解決問題。

同時，針對這類大規模的仿真模型，3D平臺處理效率低且易出現卡頓，影響用戶的體驗，而2D平臺處理這類場景則更為絲滑、流暢、高效，其效率和使用體驗是3D平臺無法比擬的。

在使用PhysimET進行仿真的全過程中，不論是過孔、匯流條或是其他的外部結構，均采用全3D網格剖分技術，將匯流條等外部結構和PCB整合建模后共同進行網格剖分，高質量還原物理模型，從而有效保證了這類仿真場景下的數據可靠性以及準確性。
 

敬請期待 and more…

若您對其他匯流條的仿真應用實例感興趣，可參考之前發布的仿真推文中的匯流條案例系列。

案例應用|PhysimET對PCB板添加匯流條的散熱效果分析(上)

案例分享|PhysimET仿真場景匯流條系列(下)

PhysimET對于板級匯流條仿真的支持不僅限于此，未來還將展示更多種類的匯流條應用場景，敬請期待。