2021年框架结构,结构设计转热设计

(1)事前配置

在整个阶段,我们应该对器件选型、预配置、热设计、结构设计的可行性进行了评估,输出的核心器件选型结论、预配置结论应该满足整体热设计和结构设计的要求。

根据初步方案,预输出布局原理图要求原理图至少包括主要器件、电源、热敏器件和连接器。 硬件工程师应规划单板、器件功能和信号流程。

PCB预布局是热设计的关键。入口条件。 要开展热设计模拟,硬件工程师应向热设计工程师提供单板布局和设备热耗(功耗)表,以及各设备的散热参数。 注意,数字装置提供尽可能准确的功耗数据,并且诸如DDR/FPGA的装置基于使用场景进行计算。

预配置除了完成关键器件的配置,评估PCB的可行性外,还需要确定电路板的层数和叠层结构。 根据这些总线的要求,接下来设计叠层结构,计算各总线要求的阻抗和传输线路的物理尺寸。 下图是项目设计的层叠结构。

从层叠结构可知,本设计中需要使用6层板,6层板可以具有3个信号层Top层、L3或L4和BOT层; 它可以包括四个信号层、Top层、L3、L4和BOT层。 具体而言,需要使用多少层是根据实际情况而确定的,本设计使用四个信号层。 PCB板的厚度为1.57mm,使用的材料为IT-180A,其中使用了4枚ppb和3枚芯。

根据叠层结构计算传输线的阻抗,有4个布线层,叠层设计为对称结构,计算TOP和L3层的阻抗即可,其他2层为1比1。 本设计中的高速总线型比较多,既有单端布线,也有差动布线。 既有单端40ohm的DDR4布线,也有单端DDR4的50ohm布线,既有差动80ohm的布线,也有差动90ohm和100ohm的布线。 TOP层和L3层加在一起,所有的阻抗要求和配线结构如下图所示。

图各层布线阻抗计算结果

从计算结果可以看出,是看起来非常简单的高速产品的设计,阻抗最多有10组设计。 在实际应用中,要仔细区分。

)2)结构设计

结构设计需要以下内容。

PCB外形、轮廓尺寸

包含结构所需的倒角、凸槽和内部开窗等信息。

PCB板厚

常用的厚度有1mm、1.6mm、2mm、2.4mm的规格。

之所以单独列举,是因为厚度是直接参与结构设计的叠加累计尺寸,需要引起重视。

外部接口设备的位置和外形

LED位置; 网络端口、串行端口; 光之口; 电源开关; 电源插座; 复位按钮; 底板连接器; 导向件、导向销; 优盘。

外形通常在3D设计时,将接口部件的模型组装在PCB上,一起投影在DXF文档上,同时提供定位基准点。

PCB安装孔的位置、孔径及其禁区要求

选择哪种类型的螺丝,提供合适的孔径尺寸,螺母禁区尺寸,提供文字说明。 选定焊接设备的项目、位置和放置平面。

其他需要焊接在PCB上的结构相关器件的规格、型号、位置信息、禁布信息、放置在PCB的哪个面等信息。 例如,焊接螺母、螺柱; 大尺寸电源瓦片; 大尺寸芯片; 需要散热的芯片。

PCB的TOP和BOTTOM面临器件高度的限制要求

由于PCBA需要与结构件组装,因此需要提供允许电子部件配置的高度要求,需要考虑间隙的馀地。

光纤半径和路径要求

由于光纤对弯曲半径的要求,盘光纤的方式、盘光纤的路径和路径宽度必须提前规划,这些信息会与PCB相互影响。

直接安装在PCB表面的零件

部分金属结构直接安装在PCB表面,表面一般禁止接线。 另外,还需要增大金属的外周轮廓,使其具有充分的余量。 例如,由于零件的制造、组装公差引起的短路等。

部分塑料件安装在PCB表面,表面一般有禁布件,禁布区周边有足够的余量。

板式PCB显示插槽高度限制或禁布区和行程要求。

有板式PCB,两侧边直接与轨道插座滑动组装,注意两侧禁布区要求和模拟行程中其他结构物碰撞干扰的空间,明确限制高度或禁布要求。 有PCB组装方式的带滑动行程的产品。 注意模拟组装行程中与结构物碰撞干涉的长度和面积,明确限制高度或禁止布料的要求。

键合器件引线长度要求。

连接器的PIN序列信息。

散热器安装位置、高度、禁布区域要求。

照相机、陀螺传感器、ToF等特殊设备的安装要求可能需要安装位置的特定要求。 图为一块电路板在整体设计过程中考虑结构干扰、电路板安装、天线安装的示意图。

基板安装示意图

)3)热设计

介绍硬件工程师和热工程师之间的笑话。

硬件工程师:“我们提出了一个新方案。 再模拟一次吧? ”

热设计工程师:“不能! ”

硬件工程师:“模仿了吗? ”

热设计工程师:“用脑子模仿的,你过不去。 降低规格! ”

硬件工程师:“用烙铁烫头。 ”

这个笑话现在在网上广泛传播,但这个笑话是我亲身经历的真实事件。

我刚到华为工作,意志消沉,希望项目能尽快取得进展。 结果遇到了不配合我们项目组工作的热设计工程师,我还不太理解他的工作态度。

因为即使在大型企业中,专门从事热模拟热设计的员工也相对较少,特别是在华为这个专业的工作中,只有热设计工程师才能使用模拟软件。 因此,热设计工程师是稀缺资源,硬件工程师也只能依赖热设计工程师进行仿真。

许多公司的热模拟工作都是由结构工程师完成的。 一些有能力的硬件工程师可以自己建模仿真。 这取决于个人的技术广度、公司的分工要求、产品的复杂性、必要性等。

不管什么工程师做这项工作,反复模拟也得不到好的结论,那就是浪费资源。 当然也有笑话中热设计工程师拒绝反复模拟各种情况的情况。

在硬件设计过程中,芯片的性能越来越高,接口速度越来越高,各种芯片的热耗也越来越大,因此热设计的挑战也越来越大。 特别是在产品竞争白热化后,容易在有限的机箱中达到散热极限。

热模拟效率低的原因如下。

器件功耗大,散热风险大。

热设计模拟结果往往超过结温或不满足降额。

部分器件功耗值无理论依据、不准确,设计过度或导致散热风险。

热模拟过程需要多次重复,每次模拟周期约3天,效率低下。

硬件工程师根据项目经验多次调整后才能满足热设计的要求。 另外,不断变更热设计的输入条件,效率很低。

布局、结构设计、热设计的关系和流程如下图所示。

布局、结构设计和热设计流程

分析到目前为止的流程,热模拟效率低的原因如图所示。

热模拟效率低的原因分析

关于风险设备,需要实现两点。

)1)准确给出器件的实际功耗。

)优化的散热布局、考虑走线的优化布局。

关于设备的功耗评估,对于没有散热风险的设备,在评估功耗时,可以粗暴地给出标称最大值。 但是,通过这样简单的操作给出最大值后,如果不能通过热模拟,就需要调整这个值,需要评价到最正确的值。

)1)例如,在DDR3控制器支持高刷新率时,其结温可以达到95,在不支持高刷新率时,最高结温为85。 如有必要,当硬件实现提高刷新频率功能时,DDR3温度规格将放宽到95度。 如果其他设备有与温度相关的硬件指标,同样应当根据实际需求和实际场景对其温度上限要求进行评估。

)2)对于散热风险较小的仿真模型,可以建立简单的电源模型,并根据经验值进行输入。 对于设计风险较大的单板,需要建立电源的详细模型,硬件人员需要事先评估功耗,提供给热设计人员。 特别是在MOSFET中,为了简化模型,有时会直接用布放置热源进行模拟。 但由于功耗较大,根据MOSFET的实际使用情况,采用功耗计算公式,计算实际功耗,并确定其功耗参数。 同时,需要考虑覆盖铜,提亮铜改善散热的情况。 它不会轻易降低规格并妥协,也不会更换更昂贵、性能更好的设备,而是会影响产品的竞争力或提高成本。

)3) CPU功耗根据实际工作负荷情况评估是否降频工作、是否超频工作。 不能用最大耗电量来概括一切。 如果支持X86处理turbo模式,则需要考虑各种情况的热分析。 由于Nehalem架构的处理支持turbo burst模式,所以处理的总功耗是恒定的,但是每个处理点的功耗因turbo模式而异,因此核心的最大功耗会超过额定功耗。 必须考虑各种情况下的散热。 否则,超频时,单点功耗会变高。

使用多核PowerPC时,评估为高功耗,热模拟具有风险,但根据实际业务情景重新评估实际工作负荷能力,合理评估实际环境中的实际工作功耗,降低功耗并通过模拟之后实测也不会出现超温的现象。 对于处理器,应根据需要投入人力,在demo板上实测实际工作环境,提前进行热测试,保障功耗评估准确。 同样,DDR也必须根据实际利用率评估功耗。 特别是FPGA的插件DDR,功耗有时并不像想象的那么大。

)4) FPGA的电力消耗由一般制造商提供评价工具。 此时,请务必根据实际的FPGA资源占用情况进行评价,不要用100%进行评价。 因为评价值很高,所以也可以通过Demo板实测功耗。

在热设计方面的PCB布局、结构设计、生产技术方面的一些经验。

)共用散热器需要考虑器件公差和导热硅胶的厚度。

在某些情况下,处理器和其他设备在一块板上共享散热器。 本公司的热设计工程师的模拟结果是温度很高,使用了相同的模拟模型。 器件制造商散热仿真模型的温度较低,经过器件制造商的讨论,分析原因是器件制造商制作的仿真模型,CPU和散热器的导热橡胶厚度为0.13mm,在目前的仿真模型中使用原因:设备制造商的仿真模型中的CPU温度为95,我们的仿真结果大于116。 本公司的热设计工程师选择0.3mm是参考两个器件公差得到的经验值,选择了概率较高的一个参考值。

在实际生产过程中,导热硅胶的厚度很难控制得那么准确,需要制造特殊的涂层工装来确保其厚度。 否则,功率器件的温度会变得过高,确实会发生过热保护。 建议不要在多个设备上共享散热器。 由于器件的高度公差,导热硅胶的厚度会影响散热效果。 如果多个设备共享散热器,则必须充分考虑设备高度公差的影响。

)2)也有DDR表里如一的情况。 为了便于穿线,有些工程师将TOP面和BOTTOM面的DDR在空间上位置完全重叠。 但是,这样重叠设计的话,DDR的热量也会通过PCB板传递,不利于散热。 也可以考虑稍微错开设计。 在指标还差一点的地方,这个设计可以有效地优化。

(3)散热器后方有皮带扣等平板型物体时,不一定会阻碍机器散热,可能会形成风道,导致局部风速增大。 风道可能会改善散热,所以请不要拿着头进行模拟。 热模拟图如图5.17所示。

热模拟图

)4)散热具有协同效应。 存在较大散热风险时,首选将结温要求最苛刻、功耗较大的器件放在进气口。 例如灾难恢复。

(5)导通孔、光亮铜改善散热。

(6)散热用铜箔和大面积电源用铜箔。 连接方式和结温的关系如图5.18所示。

连接方式对接合温度的影响

根据上面的照片可以看出,连接铜皮的面积越大,接合温度就越低。 敷铜面积与结温的关系

铜的大小对结温的影响

根据上面的照片,可以看出铜的面积越大,接合温度越低。

动态分享

2017年的宝马到2023年的宝马,宝马40多万的车有哪些

2022-12-8 9:40:13

动态分享

2023年学视频剪辑用哪个软件比较好?

2022-12-8 9:42:15

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
购物车
优惠劵
今日签到
有新私信 私信列表
搜索