从某新品手机热设计谈Simcenter Flotherm BCI ROM 技术应用

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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1. 背景介绍

现代数字电子产品具有复杂的有源电源管理策略，需要对其各种使用场景和环境条件进行测试。每个使用场景都有一组独特工作的功率器件，甚至每个芯片都有一个特定的功率映射。各种复杂使用场景的组合对电子产品的不同部分提出了不同的散热要求，例如使用移动电话进行通话、流媒体视频、游戏、拍照、将卫星导航程序与车载电话一起使用等。

工程设计中除了采用更高效的冷却结构设计方案外，对控制逻辑进行优化也是确保冷却并提供最佳用户体验的一种方式。热设计控制策略可将器件结温，器件壳温和触摸温度保持在允许范围内，同时可最小化降低时钟频率带来的性能降级需求。如以某品牌新发手机热设计方案为例：

图-1 热设计方案

硬件设计

3435mm²超大面积不锈钢VC 石墨烯多层石墨片组成的立体散热系统

软件设计

矩阵式温度监控 AI温控策略。几十万个温度采样数据建立数学模型，通过AI机器学习的方法构建不同场景下的手机表面温度，建立壳温模型。基于机身内多个温度传感器的实时数据，为其匹配最合适的温控模型，适时调配整机温控策略。

2. 设计难点

上述典型热设计方案中，仅靠有限场景的实测数据不足以支撑智能控制策略的开发与验证，而采用仿真工具建立芯片物理模型并生成测试所用数据成为业内普遍的做法。但是，在实际仿真建模过程却有如下两大难点需要解决：

计算效率

电子热设计中的瞬态仿真是一个重大挑战。现代电子设计需要考虑多个瞬态功率负载，各种功率控制策略以及该器件预期的广泛工作条件。即使使用Simcenter Flotherm中最先进的CFD求解器，探索所有可能性所需的计算时间也常常令人望而却步。时间压力可能会阻止研究整个设计空间，从而导致出错。

模型精度

模型热预测的准确性非常重要，因为温度、温度梯度、温度波动和温度变化率的增加都会通过各种损坏机制降低设备的可靠性。准确地预测电子器件时间上与空间上的温度变化是了解产品出厂可靠性的关键。

3. 解决方案

Simcenter Flotherm能够提取Boundary Condition Independent Reduced Order Model（简称BCI-ROM）与边界条件无关的降阶模型。这些BCI-ROM在所有工况条件下都能保持预测精度，并且求解速度比CFD快更多数量级，可大大提高协同研发效率。

图-2 芯片BCI ROM、子系统与系统结构

BCI ROM为基于动态紧凑热模型的热电阻和热容提取方法提供了一种替代方法。动态紧凑热模型采用有限的表面积划分，通常仅适用于单个热源封装。Simcenter Flotherm的BCI ROM技术允许求解任何数量热源线性传导问题，具有与完整3D热模型相同的精度，并且求解速度确可提高40,000倍。

图-3 BCI ROM计算的温度分布响应与详细模型相同

图-4 复杂功耗负载下的BCI ROM计算温度响应与详细模型相同

BCI ROM技术是FANTASTIC方法的扩展，该方法是意大利米兰理工大学的Lorenzo Codecasa教授率先提出的。他的出版物大致描述了该方法，并将其应用于几个验证示例。通过FANTASTIC方法在数学上保证了准确性。用户提取BCI ROM时将所需的精度设置为“可接受的相对误差”，同时，也可以设置传热系数的提取范围。

图-5 BCI ROM 导出到SPICE 子电路 or VHDL-AMS模型

4. 工程价值

Simcenter Flotherm的BCI ROM技术提供了进入更广泛电子仿真环境的工作流程。BCI ROM技术允许热设计师考虑任意数量热源的任何瞬态功率变化、环境条件下的时间或空间变化、3D结构内热流路径的变化等问题，并且在几分钟内即可模拟几小时的实际物理时间。其工程价值点列举如下：

1）比完整3D详细模型求解快40,000倍。

2）相对于完整3D详细模型求解，误差无变化，有效误差（用户定义精度）不超过<< 1％

3）适用所有用户定义传热系数范围内的热环境模拟

4）可以求解长时间瞬态仿真问题，如汽车行驶周期；

5）Simcenter™Flotherm™软件一键导出

6）矩阵模型支持多种使用场景格式：

矩阵可用于MathWorks®MATLAB®与GNU Octave (数值计算软件包)
矩阵可用于模拟电热器（例如Mentor的SystemVision®Cloud）的SPICE电子电路仿真软件
矩阵也可以在电子表格（例如Microsoft®Excel™）中进行稳态求解

7）产业链供货的同时对详细模型进行IP加密。

8）建立在Simcenter Flotherm详细模型校准功能的基础上，通过对照Simcenter T3STER™硬件或Simcenter POWERTESTER™硬件测量数据进行校准，确保详细模型高度准确。

5. 应用展望

在电动汽车动力总成应用中，模拟逆变器中功率电子器件在电机驱动器和电池之间经历的温度偏移是评估现场可靠性的关键。使用Simcenter 1D 软件对电动汽车电驱和冷却系统进行建模，可以将标准行驶周期内（如NEDC）的速度vs时间曲线转换为逆变器功耗vs时间曲线。该功耗vs时间曲线可以用作逆变器单元的BCI ROM的输入，从而可以在整个驾驶周期内准确预测温度随时间变化的关系。另外，也可以采用雨流计数来计算温度波动的数量和幅度来计算逆变器组件内部产生的疲劳损伤，从而获得使用寿命的预测。