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En el desarrollo de cualquier producto, es fundamental simular de manera precisa y eficiente los sistemas eléctricos. Sin embargo, la simulación de sistemas eléctricos no se limita estrictamente al cálculo de tensiones y corrientes. Otras simulaciones físicas, específicamente la transferencia de calor, son igualmente importantes para la verificación del sistema.

Perfilado térmico de una placa de circuito impreso. Imagen utilizada por cortesía de Gareth Halfacree (CC BY-SA 2.0)

Al reconocer el valor de simular el entorno físico de una PCB, Cadence está tomando medidas para expandir su paquete de software.
La compañía fue noticia esta semana cuando adquirió Pointwise, una compañía de simulación multifísica que se especializa en dinámica de fluidos computacional (CFD). Este anuncio sigue a la adquisición de NUMECA por parte de Cadence en febrero, otra empresa que Cadence espera que amplíe su estrategia de "Diseño de sistemas inteligentes" con soluciones de análisis de sistemas CFD.

Complejidad de la transferencia de calor en la electrónica

Como resultado del escalado de la electrónica, la gestión térmica en los sistemas eléctricos se ha convertido en un enfoque de diseño central para los ingenieros.
Desafortunadamente, la transferencia de calor no es fácil de modelar: una PCB estándar tiene múltiples circuitos integrados y componentes discretos que disipan el calor de forma independiente entre sí. Es necesario tener en cuenta el flujo de aire tanto del medio ambiente como de los ventiladores.
Como resultado, la transferencia de calor se convierte en un problema de multifísica extremadamente costoso desde el punto de vista computacional.

El modelado térmico de una PCB puede resultar muy costoso desde el punto de vista computacional. Imagen utilizada por cortesía de Cadence

Intentar abordar estas simulaciones a través de un elemento finito de análisis de diferencias finitas para una PCB completa generalmente requeriría una gran cantidad de tiempo. No es raro que las simulaciones de este tipo tarden horas en completarse, lo que significa menos tiempo de diseño y pérdida de dinero.

Dinámica de fluidos computacional (CFD)

Afortunadamente, la transferencia de calor en los PCB se puede modelar como un problema de CFD, un proceso que es menos costoso computacionalmente que el análisis FEM.
CFD es un problema clásico de multifísica en el que múltiples fenómenos físicos se retroalimentan entre sí. El flujo del proceso para el modelado y simulación CFD comienza con la determinación de las fuentes de calor en el sistema, modelando esa conducción de calor en el ambiente circundante y finalmente modelando la transferencia de calor causada por el flujo de aire.

Diagrama de flujo del modelo CFD. Imagen utilizada por cortesía de Cadence

La determinación de las fuentes de calor es un proceso sencillo; el calor se estima en base a la disipación de potencia esperada dadas sus corrientes, voltajes y valores de resistencia. Por ejemplo, se usaría la ley de Ohm para predecir el calor de una resistencia. Una vez que se conocen y definen las fuentes de calor, el ingeniero puede utilizar el análisis CFD para desarrollar un modelo electrotérmico del sistema.
A partir de ahí, puede usar una aproximación de espacio de estado reducido para simular de manera eficiente.

Estrategia CFD de Cadence

El software de Pointwise no está dirigido explícitamente al modelado térmico de PCB, pero es posible que esta característica fuera uno de los valores que Cadence vio en la cartera de CFD de Pointwise, especialmente en el contexto de la adquisición de NUMECA de la compañía.

El modelado CFD se basa en co-simulaciones electrotérmicas. Imagen utilizada por cortesía de Cadence

Se dice que la tecnología de Pointwise aprovecha una técnica de generación de malla patentada que crea múltiples tipos de malla para proporcionar un nivel de control, asegurando resultados CFD convergentes y precisos. Centrado principalmente en la industria aeroespacial, Pointwise desarrolla software que se ha utilizado anteriormente para la experimentación en túneles de viento y la discretización de aeronaves de alta fidelidad.
Esta tecnología probablemente encontrará su hogar en sistemas similares donde el modelado térmico es aún más complejo, tal vez incluso estimar el flujo de aire de una PCB en un cohete.