Latest News

בניית רשתות גנריות מוכללות למערכות, מודולים ורכיבים

איור 1: ניסוי התקני לקביעת ההתנגדות התרמית בין הצומת למעטה האנקפסולציה
case( ( של הרכיב ובין צומת הרכיב לסביבה

רשתות גנריות משמשות בתחום מעבר החום במערכות אלקטרוניות בעיקר לצורך ייצוג של מודלים מפורטים של התקנים אקטיביים (כאלה המפזרים חום). רשתות אלה מייצגות מעבר חום ברכיבים, מעבר חום שבאופן אינהרנטי הוא תלת-ממדי, באמצעות נגדים תרמיים המקושרים האחד לשני כרשת שהיא למעשה קירוב חד-ממדי לבעיה המקורית.

דוגמא נפוצה לרשת גנרית שכזאת היא ייצוג של רכיבים באמצעות רשת של שני נגדים תרמיים המקשרים את הצומת של הרכיב כנקודת פיזור החום (בדרך כלל הסיליקון) עם חלקו העליון של הרכיב ועם הכרטיס האלקטרוני:
החסרונות העיקריים בשימוש ברשתות גנריות כיום הוא הגבלת השימוש לתכונה קבועה של מקדם הולכה תרמית המהווה תכונה של חומר (בניגוד למקדם הסעה התלוי שמעבר לתלות בזורם תלוי גם בזרימה), כמו גם התאמתם הקשיחה לתקן המגדיר ניסויים סטנדרטיים לקביעתם דבר ההופך אותם לתלויי תנאי שפה.
באיור שלהלן מודגם הניסוי התקני לקביעת ההתנגדות התרמית בין הצומת למעטה האנקפסולציה (case) של הרכיב ובין צומת הרכיב לסביבה:

קונספט הרשת הגנרית המוכללת קשור בתחום המתמטי המכונה Reduced Order Modeling (ROM). מדובר תחום אקטיבי ושימושי במספר רב של דיסציפלינות הנדסיות ולמעשה אינו תחום מחקר חדשני. אחת המטרות העיקריות ב-ROM הוא הפחתה במספר דרגות החופש של בעיה על-ידי מציאת ייצוג עבורה במרחב פונקציונלי אבסטרקטי. יתר-על-כן, ישלב הקונספט תהליך אופטימיזציה שתהפוך את הרשת הגנרית המוכללת לבלתי-תלויה בתנאי שפה כמו גם יורחב תחום הייצוג שלה לאפיון הזרימה בבעיות המשלבות הולכה והסעה (Conjugate Heat Transfer).

בסיס הקונספט לרשת גנרית מוכללת שכזאת נשען על היסודות הבאים:

  • הגדרה: מודל רשת של מערכת או רכיב מכילה צירוף של הבאים
    • קשרים המייצגים התנגדויות תרמיות.
    • קשרים המייצגים מאפייני זרימה.
    • צמתים המייצגים קיבול תרמי (לצורך ניתוחים תלויי זמן).
  • מתודולוגיה: כל שיטה המניבה מודל הרשת שלעיל המסוגלת לשחזר באופן אמין את מודל ה-CFD המקורי.
  • מטרה: שימוש במודל הרשת כמרכיב “plug and play” במודל CFD גדול יותר. השגת מטרה שכזאת תביא למשתמשי ה-CFD (ANSYS ICEPAK לצורך היישום המוצג) האפשרות למדל מערכות מוגדלות תחת משטר משאבי חישוב ובניית מודל מופחתים מאוד תוך צמצום שולי אי-הודאות.

איור 2: ניסוי התקני לקביעת ההתנגדות התרמית בין הצומת
למעטה האנקפסולציה ) case ( של הרכיב ובין צומת הרכיב לסביבה

התכן התרמי עליו מבוססות רשתות גנריות מוכללות שכאלה הוא זה של “מודלים תרמיים קומפקטיים שאינם תלויי תנאי שפה” המבוסס על תקן   JESD15-4 ובנייתו עוקבת אחר הצעדים הבאים:

  1. יצירה של מודל מפורט ומכויל למערכת האלקטרונית המבטיח אי-תלות ברישות.
  2. בניית סט של תנאי שפה מתאים למשטחי המודל בהם מתרחש עיקר מעבר החום וחישוב טמפרטורת בצמתים העיקריים תוך שימוש במודל המפורט לכל אותו סט של תנאי שפה.
  3. הגדרת מודל קומפקטי כרשת תרמית ע”י תת-חלוקות של המודל המפורט.
  4. הגדרת פונקציית מטרה למינימיזציה בתהליך אופטימיזציה (DELPHI) וביצוע ביצוע האופטימיזציה הלכה למעשה, על-ידי שינוי הפרמטרים של המודל הקומפקטי.
  5. בחינת דיוק המודל שתבוצע מיטבית באמצעות שימוש בסט חדש של תנאי שפה “בלתי תלויים” בסט ששימש לבניית המודל.
  6. העברת המודל לפורמט הניתן לשימוש “plug and play” כמרכיב במודל מוגדל ומערכתי.

מתאוריה למציאות. הדגמנו את בניית הרשת הגנרית המוכללת על בעיה המכילה קשרים המייצגים התנגדויות תרמיות וקשרים המייצגים מאפייני זרימה (תיאור המודל ומאפייניו: מצב מתמיד, הסעה מאולצת, כרטיס אלקטרוני על רכיביו):

איור 3: תיאור המודל ומאפייניו: מצב מתמיד, הסעה
מאולצת, כרטיס אלקטרוני על רכיביו

ראשית נבנה מודל CFD מפורט בתוכנת ICEPAK. מכל התקן אקטיבי (אובייקט המפזר חום: מעבדים, זיכרונות וכו’…) נבחן שטף החום לזרימה ולרכיבים הפאסיביים (כרטיס אלקטרוני, heat sink וכו’…) הבאים עמו במגע. תיאור נוסף הוא של מעבר החום מן הרכיבים הפאסיביים לזרימה ולאובייקטים פאסיביים אחרים. נעשו דוחות לפרמטרים שונים כגון טמפרטורה ממוצעת, הפרש לחץ סטטי וספיקות דרך אובייקטים המייצגים אופן זרימה מסוים (גריל פליטה, מאווררים).

הטופולוגיה מותאמת באופן הבא:

  • קשרים המייצגים התנגדויות תרמיות: בניית רשת צומת לכל אובייקט אקטיבי, צומת אחת לכל התקן פאסיבי הבא במגע עם התקן אקטיבי אחד בלבד (PCB heatsink למשל) ומספר צמתים מייצגים לכל התקן פאסיבי הבא במגע עם מספר התקנים אקטיביים במקביל (PCB למשל).טופולוגית הרצויה עבור קשרים המייצגים התנגדויות תרמיות מבוססת על ניתוח התוצאות במודל המפורט (התאמת רמות הטמפרטורה בניתוח תוצאות ה-CFD על מנת להקל בזיהוי הטופולגיה הרצוי):
  • קשרים המייצגים מאפייני זרימה: עבור הסעה מאולצת נשים הדגש על טמפרטורת הזורם במעלה הזרם להתקן המיועד. לכל קישור יוגדר קלט של ספיקה מסית כך שיובטח שימור מסה בכל צומת.

    איור 4: התאמת רמות הטמפרטורה בניתוח תוצאות
    ה- CFD על מנת להקל בזיהוי הטופולגיה הרצוי

    זיהוי צמתי זרימה בהתבסס על קווי הזרם וטמפרטורת הזורם ב-CFD עבור המודל המפורט:

התוצר הסופי – הרשת הגנרית מהווה “קופסא שחורה” אותה ניתן לצרף לכל מודל CFD מוגדל, כאשר הרשת הגנרית מתקשרת אם שאר מודל ה-CFD באמצעות ה-face nodes.

האיור שלהלן ממחיש את התוצר הסופי, כאשר ה-face nodes, המסומנים בסגול, מהווים נקודות צומת של זרימה בדוגמא שלעיל:

הערכים ברשת נקבעים כתוצר של תהליך המבוסס בניית סט של תנאי שפה מתאים למשטחי המודל בהם מתרחש עיקר מעבר החום וחישוב טמפרטורת בצמתים העיקריים תוך שימוש במודל המפורט לכל אותו סט של תנאי שפה. לאחר מכן מבוצע תהליך כיול ובחינת דיוק הרשת הגנרית באמצעות שימוש בסט חדש של תנאי שפה “בלתי תלויים” באותו סט ששימש לבניית הרשת הגנרית.
בסיום תהליך הכיול הרשת הגנרית המוכללת המתקבלת אינה תלוית תנאי שפה (או במילים אחרות אינה תלויה בקלט ל-face nodes).
בדוגמא שלעיל מתקבלת הרשת הגנרית הבאה, שנערכה באמצעות ה-ICEPAK Editor:

איור 5
זיהוי צמתי זרימה בהתבסס על קווי הזרם
וטמפרטורת הזורם ב- CFD עבור המודל המפורט

השוואה (metric) בין הרשת הגנרית המוכללת הסופית לבין CFD מפורט מוצגת בטבלה שלהלן ומציגה את ההבדל המהותי במורכבות הרישות וכפועל יוצא לירידה ניכרת במשאבי המחשוב הדרושים (קשר לא לינארי – משאבי המחשוב הנדרשים ב-CFD גדלים לרוב מעריכית עם מספר הצמתים ברישות), כמו גם את השגיאה בטמפרטורה המקסימלית של הרכיבים הקריטיים בניתוח כתוצאה מקירוב ה-CFD המפורט ע”י רשת גנרית מוכללת:

נסכם בסיקור עלות/תועלת לשימוש ברשת גנרית מוכללת:

עלות (אופיינית לכל מתודולוגיה ליצירת רשת גנרית מוכללת): הצורך בכיול הרשת הגנרית המוכללת למול מודל CFD מפורט או ניסוי הוא הכרחי.

תועלת: האצה משמעותית בקבלת הפתרון בהשוואה ל-CFD מפורט המפצה משמעותית על משך הזמן לכיול הרשת הגנרית המוכללת, האפשרות לשחזור תוצאות CFD מפורט בשולי שגיאה נמוכים ולבסוף היכולת להעביר את הרשת כ”קופסא שחורה” המשמרת קניין רוחני או לחילופין מסייעת במעבר יכולות באופן אינטרדיסציפלינרי.

איור 8: השוואה ) metric ( בין הרשת הגנרית המוכללת
הסופית לבין CFD מפורט

איור 6: התוצר הסופי, כאשר ה- face nodes , המסומנים
בסגול, מהווים נקודות צומת של זרימה בדוגמא שלעיל

איור 7: הרשת הגנרית הבאה, שנערכה באמצעות
ה- ICEPAK Edi

תומר אברהם, Tenzor – ANSYS Channel Partne

תגובות סגורות