什么是多物理场?它与PCB设计有什么关系?

关键的外卖

• 解释多物理场及其在PCB设计中的模拟应用。

• 时间依赖性系统响应以及频域提供更好解决方案的原因。

• 多物理场模型的一些实例。

想象一下这样的场景:一个年轻的研究生正在为一种光敏材料设计一种有图案的阵列，作为一种新型的光传感器。当需要检查系统对不同角度入射光的响应时，年轻的研究生该怎么做?他们可能会考虑分析解决方案，但数值多物理场方法可能是最好的选择。如果读者对自己说“什么是多物理场?”不要担心!虽然这听起来像一个科幻术语，但多重物理是指一个模型，它结合了物理学的各个分支，以形成一个更有凝聚力的解决方案。

尽管分析解决方案很有帮助，并概括了一些基本关系，但它们远不是最终的全部。通常，由于这些解决方案对现实世界现象的广泛理想化，需要在现实世界中进行改进。相反，仿真软件可以以足够的精度和更好的计算速度对高阶问题进行严格建模，使其成为复杂物理系统的明确选择。正确的软件求解器允许您根据多个物理领域之间的交互来模拟PCB的行为。这种类型的模拟对于在不适合基于spice的模拟的复杂系统中建模行为非常有用。

让我们开始讨论什么是多重物理。

什么是多重物理?

多物理场仿真涉及在单个仿真中对系统不同物理方面之间的交互进行建模。在现实世界中，多物理场只是日常现象重叠的状态:

• 电磁解释电荷的运动，材料的永久或临时磁化，以及相关场的相互作用。

• 热力学涉及热或热流的产生、辐射和吸收，以及由此引起的材料性质的变化。

• 静力学涵盖了牛顿第二定律下的刚体，以及其中的任何力和变形。动力学用于非零加速度，例如，在跌落试验中遇到的振动或冲击。

• 其他考虑因素包括化学(腐蚀性，反应性)和湿度(吸湿材料对环境水的吸收)等等。主动模型倾向于关注前三点，但这些条件可能与电路板的现场使用情况有关。

许多系统都很复杂，尤其是电子系统，不同的物理量(例如电流和温度)之间的关系很模糊。除了单个物理模拟，工程师还需要考虑物理不同方面之间的相互作用，这就需要多物理场模拟方法。在生产和使用寿命期间，设计师和制造商必须了解这些看似不同的机制如何运作以优化性能。

多物理系统是物理功能和约束的更现实的捕获。

任何用于模拟PCB的多物理场模型的挑战都是准确地模拟系统中源项的行为，无论它们是机械负载、散热的电子元件，还是系统中的热源和接收器。由于多物理场软件可能使用3D场求解器模拟来求解系统中的耦合微分方程集，另一个挑战涉及在空间和时间上创建系统的足够精细的网格。空间和时间上的精细网格对于确保结果的准确性至关重要，尽管过于精细的网格将需要更长的计算时间。平衡计算精度和计算时间是多物理场模拟的主要挑战。

在pcb中，电气可靠性被量化为电源完整性和信号完整性分析以减少功率波动、串扰和对EMI的易感性。热可靠性评估需要通过热模拟来评估单板和元器件的温度。这样可以判断单板是否在合适的温度范围内工作。最后，机械可靠性与高温下的热膨胀有关，您需要评估通孔、焊点和板本身的热应力和机械应力。

动态/瞬态行为vs.稳态行为

可以在时域内执行多物理场模拟，尽管这些模拟需要大量的计算能力、内存和计算时间。除非在计算过程中利用并行化，否则小规模的时域3D模拟可能需要几天时间才能完成。

时域多物理场仿真大致可分为瞬态仿真和动态仿真两种。每种类型的仿真都类似于SPICE包中相应的电路仿真。当系统状态或系统中的源项突然发生变化时，例如某个组件打开或关闭，系统需要一些时间来适应这种变化。

有限元模拟的输出

我们可以把它类比为一个模拟RC电路:如果施加在电容器上的电压突然从0变化到某个正电压，随着时间的推移，电荷在电容器上累积-它不会立即改变为值Q = CV。当系统中的源项在时间上不连续时，这种行为可以在时域的多物理场模拟中检验。

瞬态行为表明，随着时间的推移，系统会过渡到稳定状态。一旦理解了暂态行为，这就为开始检查系统稳态行为所需的模拟时间提供了基准。在PCB中，一旦系统进入稳态，系统的行为在时间上是恒定的，你只需要检查整个电路板的温度、机械应力和电压/电流的空间分布。

PCB设计中的多物理场模拟

在PCB设计中使用多物理场模拟来验证设计选择，检查电学行为，确定可能的热管理出现问题，甚至保证机械的可靠性。目标是在设计中发现可能的电气、热或机械缺陷，以免它们在您的电路板中产生重大问题。这些可能包括某些电路中的串扰或非线性电效应，电路板上热点的识别，或对机械冲击的抵抗。

一个例子:热循环

电路板在运行过程中的热可靠性和机械可靠性在几个方面是相关的。有源元件在电路板中产生大量的热量，而电路板的低热导率FR4基板导致热量积聚，导致温度显著升高。电路板在加热时会膨胀，对电路板上的走线、过孔和其他电子元件产生压力。这是由于整个板的不同材料的体积膨胀系数之间的不匹配。

多层板的过孔在热循环过程中容易断裂。如果电路板以缓慢的速度加热到高温，并保持在该温度，则由于静态应力而对导体造成机械损坏的危险较小。危险出现在热循环过程中，应力会导致沿通孔筒的疲劳。衬垫过孔的对接接头也是真正的失效点，因为应力集中在这些位置。

这种多物理场模拟PCB板运行时的热循环，允许您分析电路板在电气操作期间的温升和机械应力之间的联系。您将能够在各个时间点查看整个系统的机械应力、电磁场、电压/电流分布和温度。

你不需要红外摄像机和多物理场模拟

更进一步:频域模拟

当处理涉及纯谐波源的系统时，将多物理场模拟中的控制方程转换到频域通常是非常有用的。虽然您错过了系统的瞬态行为，但您获得了系统如何响应不同频率源的完整视图。

和合适的PCB布局和设计软件允许您根据您的想法创建设计，并使用高级工具模拟其功能。设计师不再需要问“什么是多物理场”，而是“多物理场模型如何更好地优化这个构建?”Allegro PCB Designer包括高级电路板布局所需的功能，以及Clarity 3D求解器包括多物理场模拟所需的工具。您还可以将您的电路板导入Cadence的其他套件中分析工具模拟和分析董事会的行为。

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