什么是多物理場(chǎng)，它與PCB設(shè)計(jì)有何關(guān)系？

當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)中沒(méi)有問(wèn)題的解析解決方案時(shí)，多物理場(chǎng)仿真可以為您提供一個(gè)完整的數(shù)值解決方案，用于描述系統(tǒng)多個(gè)方面的行為。正確的3D解算器可讓您基于多個(gè)物理領(lǐng)域之間的相互作用來(lái)模擬PCB的行為。這種類型的模擬對(duì)于不適合基于SPICE的模擬的復(fù)雜系統(tǒng)中的行為建模非常有用。

多物理場(chǎng)是什么？

多物理場(chǎng)仿真涉及在單個(gè)仿真中對(duì)系統(tǒng)的不同物理方面之間的交互進(jìn)行建模。許多系統(tǒng)很復(fù)雜，尤其是電子系統(tǒng)，并且不同的物理量（例如電流和溫度）以復(fù)雜的方式關(guān)聯(lián)。除了單獨(dú)的物理模擬之外，工程師還需要考慮物理不同方面之間的相互作用，這需要多物理場(chǎng)模擬方法。這樣可以更全面地了解系統(tǒng)的行為。

在任何用于模擬PCB的多物理場(chǎng)模型中，所面臨的挑戰(zhàn)是要準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)中采購(gòu)項(xiàng)的行為進(jìn)行建模，無(wú)論這些項(xiàng)是機(jī)械負(fù)載，耗散熱量的電子組件還是系統(tǒng)中的熱源和熱沉。由于多物理場(chǎng)軟件可以使用3D場(chǎng)求解器模擬來(lái)求解系統(tǒng)中的微分方程的耦合集，因此另一個(gè)挑戰(zhàn)是在空間和時(shí)間上創(chuàng)建足夠精細(xì)的系統(tǒng)網(wǎng)格。在空間和時(shí)間上精細(xì)劃分網(wǎng)格對(duì)于確保結(jié)果準(zhǔn)確至關(guān)重要，盡管過(guò)于精細(xì)的劃分網(wǎng)格將需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。平衡計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間是多物理場(chǎng)仿真中的主要挑戰(zhàn)。

在PCB中，根據(jù)電源完整性和信號(hào)完整性分析來(lái)量化電氣可靠性，其目標(biāo)是最大程度地減小電源波動(dòng)，串?dāng)_和對(duì)EMI的敏感性。評(píng)估熱可靠性需要進(jìn)行熱仿真，以評(píng)估電路板和組件的溫度。這使您可以確定電路板是否在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)運(yùn)行。最后，機(jī)械可靠性與高溫下的熱膨脹有關(guān)，您需要評(píng)估通孔，焊點(diǎn)以及電路板本身的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

動(dòng)態(tài)/瞬態(tài)行為與穩(wěn)態(tài)行為

可以在時(shí)域中執(zhí)行多物理場(chǎng)仿真，盡管這些仿真需要大量的計(jì)算能力，內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。除非您在計(jì)算期間利用并行化，否則時(shí)域中的小規(guī)模3D模擬可能需要幾天才能完成。

時(shí)域多物理場(chǎng)模擬可以大致分為兩種：瞬態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬。每種類型的仿真都與SPICE封裝中的相應(yīng)電路仿真相似。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)或系統(tǒng)中的源術(shù)語(yǔ)突然更改（例如，組件打開(kāi)或關(guān)閉）時(shí)，系統(tǒng)需要一些時(shí)間來(lái)適應(yīng)此更改。

可以為RC電路進(jìn)行模擬：如果施加到電容器的電壓突然從0變?yōu)槟硞€(gè)正電壓，電荷隨時(shí)間累積在電容器上，則不會(huì)立即變?yōu)?/span>Q = CV。當(dāng)系統(tǒng)中的采購(gòu)條款在時(shí)間上不連續(xù)時(shí)，可以在時(shí)域的多物理場(chǎng)仿真中檢查此行為。

瞬態(tài)行為表明您已隨著時(shí)間的推移將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)。一旦了解了瞬態(tài)行為，就可以為開(kāi)始檢查系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)行為所需的仿真時(shí)間提供基準(zhǔn)。在PCB中，一旦系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)的行為就會(huì)在時(shí)間上保持恒定，您只需要檢查整個(gè)板上溫度，機(jī)械應(yīng)力和電壓/電流的空間分布即可。

PCB設(shè)計(jì)中使用多物理場(chǎng)仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)選擇，檢查電氣行為，識(shí)別可能的熱管理問(wèn)題，甚至確保機(jī)械可靠性。目的是在設(shè)計(jì)中可能產(chǎn)生電氣，熱或機(jī)械缺陷之前，先確定它們是否會(huì)在板上造成重大問(wèn)題。這些可能包括某些電路中的串?dāng)_或非線性電效應(yīng)，識(shí)別板上的熱點(diǎn)或抗機(jī)械沖擊。

一個(gè)例子：熱循環(huán)

電路板在運(yùn)行期間的熱可靠性和機(jī)械可靠性以多種方式關(guān)聯(lián)。有源組件會(huì)在電路板上產(chǎn)生大量的熱量，而FR4基板的低導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，從而導(dǎo)致溫度顯著升高。電路板在加熱時(shí)會(huì)膨脹，從而在整個(gè)電路板上的走線，過(guò)孔和其他電子元件上產(chǎn)生應(yīng)力。這是由于整個(gè)板上不同材料的體積膨脹系數(shù)之間的不匹配引起的。

多層板上的通孔在熱循環(huán)過(guò)程中容易斷裂。如果電路板以緩慢的速度加熱到高溫并保持在該溫度下，則由于靜電應(yīng)力而對(duì)導(dǎo)體造成機(jī)械損壞的危險(xiǎn)較小。在熱循環(huán)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)，在這種情況下應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致通孔針筒疲勞。由于應(yīng)力集中在這些位置，焊盤內(nèi)通孔上的對(duì)接也是真正的故障點(diǎn)。

在電路板工作時(shí)熱循環(huán)下對(duì)PCB進(jìn)行的這種多物理場(chǎng)模擬可讓您分析電路板中的溫度上升與電氣操作期間的機(jī)械應(yīng)力之間的聯(lián)系。您將能夠在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)查看整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力，電磁場(chǎng)，電壓/電流分布和溫度。

更進(jìn)一步：頻域仿真

當(dāng)使用包含純諧波源的系統(tǒng)時(shí)，將多物理場(chǎng)仿真中的控制方程式轉(zhuǎn)換到頻域通常非常有用。當(dāng)您錯(cuò)過(guò)系統(tǒng)的瞬態(tài)行為時(shí)，您將獲得有關(guān)系統(tǒng)如何響應(yīng)不同頻率源的完整視圖。