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Cómo mejorar el diseño de la electrónica de potencia con el análisis electrotérmico integrado de Flotherm XT e HyperLynx

electronica de potencia

2En los últimos veinte años, la electrónica de potencia ha contribuido enormemente de cara a la consecución de los objetivos ligados a la reducción de la huella de carbono.

Utilizamos la electrónica de potencia, entre otras cosas, para cargar nuestros teléfonos móviles y los vehículos eléctricos o para aumentar la eficiencia de la cocina a través de las placas de inducción. Además, la electrónica de potencia desempeña un papel importante en la conexión de fuentes de energía verde, como los paneles solares o las centrales eólicas, a la red eléctrica de corriente alterna, lo que contribuye a aumentar el uso de alternativas verdes en la industria energética.

Un diseño correcto de dispositivos electrónicos de potencia, como cargadores o inversores, requiere el cumplimiento de una serie de requisitos de diseño relativos a varias disciplinas, como el diseño electrónico, el desarrollo de software, la mecánica o la seguridad térmica. En un escenario multidisciplinar, resulta de fundamental importancia que los diseñadores comprendan que sus elecciones no solo tendrán un impacto en su campo de acción, sino que, también, podrían tener consecuencias y efectos negativos en relación a otros requisitos, de otras áreas. En este sentido, ya no es aceptable un enfoque en el que cada departamento de diseño aborda los retos por separado y de forma independiente, pues esto generará iteraciones de rediseño, retrasos en los plazos de comercialización y un aumento de los costes, que podrían evitarse.

Por ejemplo, los diseñadores de electrónica de potencia tienen que asegurarse de que la energía se suministre correctamente, a través de la red de suministro de energía (PDN por su nombre en inglés: power delivery network), a todos los componentes para que funcionen correctamente. Si se va a colocar lejos del punto de alimentación de la PDN un componente que espera una alimentación de +5V, habrá que asegurarse de que la tensión no haya caído demasiado para cuando la corriente llegue a ese punto. La forma y las dimensiones de las pistas se eligen con el objetivo de respetar este requisito. Por otro lado, la alta demanda de corriente y las densidades de corriente debidas a las vías, agujeros o restricciones en estas pistas de cobre pueden generar calor debido al efecto Joule. Este calor debe ser tenido muy en cuenta por los especialistas térmicos, que deben asegurarse de que se identifique la estrategia de refrigeración correcta, de que las temperaturas de las placas de circuito impreso estén bajo control en todas las condiciones de trabajo y de que no socaven la fiabilidad o la vida útil del dispositivo electrónico. Del mismo modo, los aumentos de temperatura también tienen grandes efectos en la resistividad eléctrica y los cálculos de caída de tensión pueden ser más precisos si se tiene en cuenta esta información.

En los flujos de trabajo actuales, basados en herramientas independientes, los ingenieros electrónicos pueden simular la caída de corriente continua y comprender las pérdidas de potencia, pero no disponen de información rápida sobre cómo afectan sus decisiones de diseño al comportamiento térmico del sistema. Por otro lado, los especialistas térmicos no disponen de información rápida y precisa sobre los mapas de potencia disipada en las pistas de la PCB, a menos que realicen complejas simulaciones con un modelo sólido en 3D de las pistas. El intercambio de información entre el diseñador de las PCBs y los especialistas en simulación térmica es necesario para tomar decisiones de diseño acertadas.

Los flujos de trabajo integrados y las herramientas que permiten la colaboración son la única opción viable para abordar correctamente estos retos de diseño multidisciplinar y garantizar que las empresas sigan siendo competitivas y tengan éxito en un mercado tan agresivo como el de la industria electrónica.

En este artículo, echaremos un vistazo a un nuevo flujo de trabajo integrado, dedicado al análisis electrotérmico de las placas de circuito impreso. Ha sido ideado para salvar las distancias entre los diseñadores de las PCBs y los especialistas térmicos, al permitirles compartir rápidamente la información entre departamentos. De este modo, los dispositivos de electrónica de potencia se diseñarán de manera rápida y correcta, de acuerdo con todos los requisitos eléctricos, mecánicos y térmicos.

Este flujo de trabajo integrado se basa en las soluciones de Siemens Digital Industries Software para las simulaciones eléctricas y térmicas de los dispositivos electrónicos: HyperLynx y Simcenter Flotherm XT.

En qué puede ayudarte HyperLynx DC Drop

HyperLynx es una gama completa de herramientas de análisis y simulación para el diseño electrónico de alta velocidad, que incluye la comprobación de las reglas de diseño eléctrico (DRC/ERC), la integridad de señal (SI) y la integridad de potencia (PI) con modelado electromagnético en 2D/2,5D/3D (3D EM) integrado. HyperLynx está diseñado para ser utilizado por los diseñadores de electrónica y ofrece capacidades de simulación de última generación y flujos de trabajo automatizados. Incluye procedimientos paso a paso y técnicas de simulación avanzadas para guiar a los usuarios y ayudarles a detectar y corregir los problemas en una fase temprana del ciclo de diseño.

En concreto, Hyperlynx DC Drop es la solución dedicada al análisis de la integridad de potencia y permite realizar una simulación eléctrica de las redes de suministro de energía o de cualquier pista de la PCB para identificar las caídas de tensión y las zonas en las que las densidades de corriente superan los límites de seguridad. Estos datos pueden utilizarse después para calcular la potencia disipada en el interior de la placa de circuito impreso. Los resultados típicos de Hyperlynx DC Drop consisten en mapas de caída de tensión y densidad de corriente o mapas de potencia.

En qué puede ayudarte Simcenter Flotherm XT

Simcenter Flotherm XT es una solución única y premiada, dedicada a la simulación térmica de dispositivos electrónicos. Simcenter Flotherm XT maneja sistemas electrónicos grandes y complejos con facilidad y permite reducir los tiempos de forma significativa, en comparación con las soluciones tradicionales, de modo que los ingenieros mecánicos y los especialistas térmicos puedan crear rápidamente un diseño óptimo para la refrigeración de dispositivos electrónicos.

Una completa biblioteca de SmartParts geométricas y no geométricas proporciona a los usuarios un conjunto completo de los componentes más populares para la creación de modelos rápidos y precisos. Simcenter Flotherm XT trabaja directamente con la geometría nativa del MCAD, admite geometrías arbitrarias no alineadas y curvadas para factores de forma no estándar, diseños novedosos de disipadores, placas de circuito impreso en ángulo, sistemas de refrigeración electrónica y más.

El módulo FLOEDA Bridge ofrece una interfaz -fácil de usar e intuitiva- directa con las herramientas ECAD de Siemens EDA, Xpedition y PADS, mientras que los formatos ODB++ e IPC2581 son compatibles con Cadence, Zuken y Altium. De este modo, te permite ahorrar tiempo al utilizar los datos EDA existentes, independientemente de cómo se haya creado el diseño original.

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Simcenter Flotherm XT es la solución de Siemens dedicada a la simulación de la refrigeración de electrónica.

La nueva solución electrotérmica integrada

El nuevo flujo de trabajo integrado de HyperLynx y Simcenter Flotherm XT salva las distancias entre los ingenieros electrónicos y los especialistas en simulación térmica, al mejorar la colaboración a la hora de diseñar PCBs de electrónica de potencia y sus sistemas de refrigeración. En lugar de trabajar por separado, con este flujo de trabajo, Simcenter Flotherm XT puede tomar un mapa de potencia proveniente de una

simulación realizada con HyperLynx DC Drop y realizar un análisis térmico. A continuación, puede introducir un mapa de temperatura en HyperLynx para actualizar la simulación eléctrica y actualizar el mapa de potencia para Simcenter Flotherm XT. Como alternativa, es posible, simplemente, importar un mapa de potencia exportado desde HyperLynx DC Drop a Simcenter Flotherm XT para un intercambio de datos unidireccional.

Para ello, se ha desarrollado un enlace entre HyperLynx DC Drop y Simcenter Flotherm XT que permite importar y representar de forma muy eficiente tanto la geometría de la PDN como la distribución de la disipación de energía en su interior.

Con este flujo de trabajo combinado, los especialistas térmicos pueden comprobar, rápidamente, que las redes de suministro de energía no se sobrecalienten y que las densidades de corriente eléctrica no den lugar a puntos calientes peligrosos, que reduzcan la fiabilidad y la vida útil del dispositivo electrónico.

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Nuevo flujo de trabajo integrado de Flotherm XT e HyperLynx para la simulación electrotérmica de la electrónica de potencia.