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Análise térmica de equipamentos eletrônicos

Eletromagnetismo

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.

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

Equipamentos Eletr^nicos

[:es]La simulación computacional está conquistando cada vez más espacio en los proyectos industriales. En los proyectos de equipos electrónicos, especialmente de potencia, la gestión térmica es una cuestión esencial para el correcto funcionamiento de los equipos. Una temperatura elevada puede dañar los diversos componentes encontrados dentro de los equipos electrónicos. Son notables los beneficios que se pueden obtener con la optimización de diversos aspectos del proyecto, por ejemplo, definición y mejor ubicación de los enfriadores, espesor de las capas de cobre y el diseño de las tarjetas de circuito, determinación de los disipadores de calor ideales, además de otra información que se obtienen rápidamente con simulaciones como identificación de áreas de recirculación, trayectoria de los fluidos dentro de los equipos y centros de datos. Estas técnicas aliadas a la automatización y la facilidad de las herramientas de ANSYS aseguran la reducción del tiempo de desarrollo de proyectos y la robustez de los productos. La industria de electrónicos tiene grandes demandas y la simulación numérica es un aliado en el desarrollo de soluciones.

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

 Líneas de corriente (streamlines) en una simulación en ANSYS AIM

Las herramientas de ANSYS posibilitan realizar un análisis numérico completo. Existen herramientas de dinámica computacional de los fluidos (CFD) para calcular el flujo, que posibilita verificar los cambios térmicos que realiza el sistema de circulación de aire. Recientemente, el software ANSYS AIM ha conquistado espacio por su sencillez en el enfoque de los problemas de ingeniería, e contiene un flujo de trabajo que permite realizar todas las etapas de un análisis de simulación, desde la geometría inicial hasta el análisis de los resultados finales.

En todo el diseño de los equipos se crea la geometría (CAD del proyecto), y se realiza el proceso de manufactura a partir de dicho archivo. Pero a partir del mismo archivo se puede realizar un análisis numérico, incluidas las físicas del problema. Esencialmente, hay cinco pasos en un análisis de simulación:

  • obtener la geometría de análisis (CAD del proyecto);
  • crear la malla computacional (dominio de cálculo);
  • incluir las físicas de interés;
  • resolver numéricamente el problema planteado;
  • analizar los resultados.

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

Líneas de corrientes y Perfiles de Temperatura en el interior de un gabinete en una simulación en ANSYS AIM

En un análisis de CFD, se puede extraer información térmica del sistema. Hace que sea posible analizar la distribución de las temperaturas en el interior del equipo, posibilitando visualizar los puntos calientes. Además, las streamlines (que son los caminos recorridos por el flujo) permiten verificar la existencia de trayectorias preferidas, además de visualizar las zonas con recirculaciones. Por esta perspectiva, se puede verificar a influencia del diseño espacial de cada pieza y/o componente dentro del sistema, buscando la mejor configuración.

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

Análisis multifísico de una PCI utilizando ANSYS SIwave, ICEPAK y Mechanical.

 Existen casos en que los análisis exigen más complejidad. Un ejemplo de ello es la necesidad de un cálculo preciso de pérdidas por el efecto Joule debido a las altas corrientes, cuando el diseño de una tarjeta de circuito (TC) afecta a la distribución térmica y, por consiguiente, resulta en estrés térmico. Para estas situaciones, ANSYS ofrece productos específicos como ANSYS SIwave, que se especializa en análisis DCIR y electromagnéticas de las TC; ANSYS ICEPAK, que es una herramienta específica para los análisis térmicos de equipos electrónicos; y ANSYS Mechanical que realiza análisis estructurales considerando el diseño de la TC, además de las temperaturas calculadas por ANSYS ICEPAK. Este flujo se detalla en la figura a continuación, en la cual se observa el o modelo matemático de la TC y también del encapsulado del circuito integrado. El chip también puede ser una fuente de calor, y ANSYS Redhawk puede crear un modelo conocido como CTM (Chip Thermal Model) para un análisis extremamente preciso y completo.

Análise térmica no ANSYS ICEPAK

Análisis térmico en ANSYS ICEPAK

Equipos Eletronicos



Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química pela mesma instituição. Atua desde 2013 com simulação numérica na área de Fluidodinâmica Computacional (CFD) e é Especialista de Aplicações CAE na ESSS.


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