Wärme-, Akustik- und Leistungsprobleme bei Tablets lösen

| Autor / Redakteur: Dr. John Parry * / Kristin Rinortner

Modernes Thermodesign: Das Tablet verwendet Lüfter zur Kühlung durch Zwangskonvektion, was sich auch auf akustische Designüberlegungen auswirkt.
Modernes Thermodesign: Das Tablet verwendet Lüfter zur Kühlung durch Zwangskonvektion, was sich auch auf akustische Designüberlegungen auswirkt. (Bilder: Mentor)

Am Beispiel ein es Tablet-Computers werden die multidisziplinären und komplexen Herausforderungen, die mit Kühllösungen für elektronische Handheld-Geräte einhergehen, untersucht und optimiert.

Das Wärmemanagement ist sowohl eine multidisziplinäre als auch eine vielschichtige Herausforderung. Ein thermisch optimiertes IC-Gehäuse bedeutet nicht, dass das gesamte Systeme optimal ausgelegt ist. Und effektives Wärmemanagement auf Leiterplattenebene garantiert keine hohe Zuverlässigkeit.

Design und thermische Analyse müssen auf mehreren Ebenen erfolgen, einschließlich der ICs und Leiterplatten im Produktgehäuse. CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) verbindet diese Ebenen und Bereiche, so dass während des Design-to-Manufacturing-Prozesses Konvektion, Wärmeleitung und Wärmeabstrahlung des gesamten Systems berücksichtigt werden können.

Die Optimierung des Kühlsystems für ein elektronisches Produkt umfasst das Jonglieren mehrerer Designvariablen wie Luftdurchsatz, Ventilator, Lage der Entlüftungsöffnungen, Größe der Kühlkörper und die physikalische Anordnung der Baugruppen.

Umfassender Ansatz für das Wärmemanagement

Erfolgreiche Konstrukteure verwenden für das Wärmemanagement einen umfassenden Ansatz und zwar unabhängig davon, ob sie als einzelner Ingenieur in einem kleinen Unternehmen mit dem gesamten Konstruktions- und Optimierungsprozess beauftragt sind oder als weltweit tätiges Ingenieurteam Komponenten für ein einzelnes Produkt anbieten.

Maschinenbauingenieure, die eine mechanische Entwurfsautomatisierungssoftware verwenden, sind für alle Aspekte des physikalischen Designs eines Produkts verantwortlich, außer für ICs und Leiterplatten. Deshalb müssen sie auch mit den Entwicklern von elektronischen Schaltungen zusammenarbeiten, die EDA-Software einsetzen.

Diese beiden Domänen wurden bisher nur durch die Übertragung großer Datenmengen (über neutrale Dateiformate wie IDF) miteinander verbunden, normalerweise ohne Filterung nach thermisch relevanten Informationen.

Merkmale eines thermisch guten Designs

Ein gutes thermisches Design erfordert genaue Informationen über das Elektronikdesign, zum Beispiel einzelne Leiterbahn-Geometrien, um deren Kühlwirkung und die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten zu erfassen.

Dies führt zu umfangreichen Konstruktionsdetails. Deren Modell muss der Entwickler für die CFD-Simulation manuell vereinfachen, da ansonsten übermäßige CFD-Laufzeiten entstehen und die Konvergenz der Lösung gefährdet ist.

Mit moderner CFD-Software wie Mentor Graphics FloTHERM sind Entwickler in der Lage, ein System so lange zu simulieren und zu analysieren bis sie eine optimale Kühllösung erhalten haben. Dabei werden detaillierte Konstruktionsdaten verwendet, die automatisch aus mechanischen und elektronischen Entwurfsautomatisierungswerkzeugen importiert werden.

Mit der neuesten Softwaretechnologie können Entwickler Vorabanalysen durchführen, Trends ermitteln, effizient und genau analysieren und gute Fortschritte erzielen, indem sie mehrere Probleme schneller lösen und praktisch die Arbeiten verrichten, die sonst Spezialisten in späteren Phasen der Verifikation erledigen.

Dies reduziert die Zykluszeit im Vergleich zu mehreren Wochen auf wenige Tage oder über Nacht. Konstruktionsingenieure können verschiedene Optionen mit einem Design-of-Experiments-Ansatz testen und zu einem viel wettbewerbsfähigeren oder zuverlässigeren Produkt gelangen.

Die schnellen Zykluszeiten helfen aber auch, die Markteinführungszeit der Produkte zu verkürzen. Moderne schnelle und genaue thermische Analysewerkzeuge, die sowohl Konstrukteure als auch thermische Experten einsetzen können, bringen bei der Produktentwicklung mehrere Disziplinen effizienter zusammen.

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