利用电子产品推动创新

作者:Mark Ravenstahl,ANSYS电子产品业务部战略合作伙伴与业务发展技术总监

电子产品如今遍布我们所处的世界。从电机、高速电子设备、天线到无线通信,相关需求在不断增长。不过,由于要满足降低能耗、避免干扰其它设备以及缩短研发时间等要求,设计一款能够在现实中可靠运行的创新产品变得愈加困难。领先企业利用工程仿真快速向市场推出能够满足甚至超越期望的创新产品。

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high-speed electronics simulation

electronics for ADAS

高性能电子产品能够推动各个行业实现一些最杰出的创新。高级辅助驾驶系统(ADAS)、物联网(IoT)、5G通信、混合动力推进系统等开拓性发明需要采用高级电磁场仿真技术,因此领先企业能够借此设计与优化产品,并且实现产品的快速上市。在把射频(RF)及无线通信组件集成到紧凑封装时,工程师需要评估系统密度的影响,以满足更小的尺寸需求并提高电源效率。汽车、飞机和船舶的电气化需要借助新的设计思维方式,使电机与电子设备等工业组件突破其传统限制。

Electronics Simulation

工程师利用精确仿真可预测其设计方案的详细性能并实现创新产品。ANSYS提供具有强大创新功能的一流产品, 其中包括集成平台、业界最佳的单物理场和综合多物理场,以推动计算机仿真的发展。我们面向电机、高速电子与RF/无线通信的最新电磁软件创新能够继续帮助工程师按时实现功能和可靠性目标。

电机设计

在ABB的一项研究中指出,电机耗电量占全球工业耗电量的三分之二,其相当于全球总耗电量的28%[1]。这代表着巨大的能量,因为全球每年耗电量接近24000太瓦·时[2]。电机效率提高1%可以节约的能量相当于8100万辆油罐卡车(每辆装载9000加仑的燃料)的汽油。这些18轮卡车如果头尾相接足够绕半个地球。显然这种能源节约很值得探究。ANSYS仿真软件可以帮助 电机设计人员优化设计并提高能效。

WEG Motor

WEG电机展示了虚拟设计如何实现实际创新。借助ANSYS仿真技术,WEG可提供最佳能源效率、超低噪声和超过10万小时的轴承使用寿命。

“汽车、飞机和船舶的电气化需要借助新的设计思维方式,使电机与电子设备等工业组件突破其传统限制。”

ANSYS创新:综合多物理场工作流程

为了提高电机效率,ANSYS Maxwell软件能够针对机械执行严格的性能计算,包括线性平移与旋转运动造成的运动感应效应、高级磁滞分析、永磁体的去磁以及其他关键电磁机械参数。通过ANSYS Workbench平台,Maxwell可与ANSYS MechanicalANSYS FluentANSYS Icepak联合使用,并且共享相同的CAD源,以执行应力、热、CFD及声学分析。在详细分析所有影响电机效率的因素时,需要使用这些多物理场功能。例如,Maxwell 计算得到的损耗可以用作CFD软件的输入信息, 从而计算温度分布并评估冷却策略。Maxwell计算得到的电磁力和扭矩可以输入到ANSYS Mechanical,用于分析变形以及进一步评估潜在振动。ANSYS平台独有的深度多物理场分析,有助于实现能够大幅降低功耗的机械设计。

EM simulation end effects
最终效果
EM simulation end effects
分组磁体
电机3D效果对最终产品的性能有巨大影响。
 

ANSYS创新:高性能计算

工程仿真领域最重大的发展之一是高性能计算(HPC)。企业现在利用数十、数百甚至数千个计算机节点,以更快速度和更高保真度来仿真更多更大的模型。ANSYS软件提供多种突破性数值求解器和HPC方法,其已经针对单台多核机器进行优化,而且具备可扩展性,能够充分发挥集群的全部功能。采用参数化分析的设计探索在扩展到集群时可以得到显著加速。电机尺寸、驱动电流、速度、扭矩载荷和所有其他仿真参数都可以在众多设计点进行评估,而且可以同时在多个内核上进行求解。ANSYS Maxwell 中的全新时域分解法(TDM)可以充分发挥现代计算集群的优势。TDM提供的计算能力和速度,可用于执行面向电机、平面磁性组件和变压器的完整瞬态电磁场仿真。这样工程师就能够同时求解(而非顺序求解)所有时步,并且将时步分布到多个核、联网计算机和计算集群上。TDM可以在设计阶段实现完整的3D仿真,从而支持在数小时内探索和研究电机的常用细节,如:绕组最终效果或分组磁体。最终可以显著提高仿真容量与速度,使工程设计团队能够在研发早期阶段探索更多选项,从而降低功耗和满足其他规范要求。

3-D laptop layout

笔记本电脑集成系统装配体的三维布局,其将主印刷电路板布局与边缘连接器及子卡连接在一起。

高速电子设备

自IC设计受到平版印刷制造工艺的约束之后,自动化电子设计一直在向前发展。当综合考虑布局和设计时,由于信号上升时间短、传输线路效应和串扰等因素,电子信号传输速度会提高,同时信号完整性会给电气工程师带来挑战。这就需要电磁建模。针对当今的高封装密度、快速信号传输和高频率,必须联合部署面向布局和电磁学的工具,以获得最佳性能与可靠性。电路和系统分析现在是更广泛的EM装配体解决方案的组成部分,而非驱动因素。瞬态电路分析可以直接从布局运行,因此电气工程师可以利用IC封装、印刷电路板、连接器和电缆以虚拟方式组装数字电子系统,然后利用适当的技术执行系统分析。

ANSYS创新:装配体建模、3D组件和自动化

电气工程师一直采用基于原理图的设计,以此来连接面向印刷电路板、IC封装和组件的模型。这种方法非常适合相对简单的设计,但是对于规模更大、复杂度更高的设计来说,这个过程就会变得冗长乏味而且容易出错。工程师仅仅漏掉单个节点的一个点对点连接,就会导致仿真结果出错布局驱动的装配体是一种优异的方法,因为它无需通过组装单独组件的实际3D模型来创建原理图。基于布局的环境在将组件布局到电路板时可立即建立所有电气连接,因此非常适合创建高级3D电磁仿真的模型。这样可以简化几何模型设置,使工程师能够从布局启动完整的电气电路仿真。。

smartphone simulation

ANSYS HFSS中的智能手机仿真。左侧显示了天线与组件的跨频谱耦合,右侧显示了3D几何模型。HFSS可在较宽的频率范围内预测已安装天线的性能以及天线与信号在PCB上的耦合。

RF和无线

天线是确保无线设备具有优异性能的关键所在,而且对实现IoT、自动驾驶等创新至关重要。在现代无线世界中,设备需要多个天线支持各种无线业务以及多输入多输出(MIMO)处理功能,而且在办公室、住宅、汽车等大型复杂电磁环境中必须能够在其他电子设备附近可靠运行。最新ANSYS产品创新可帮助行业领导者设计可靠的天线,无论其尺寸或最终应用如何。

antenna array simulation

ANSYS创新:天线综合与已安装天线的性能

ANSYS HFSS高频电磁场软件可优化天线设计的综合、设置与分析。它使每位工程师、甚至那些不具备天线专业知识的工程师都能够创建和优化天线设计与集成。ANSYS HFSS SBR+是一种面向HFSS的、功能强大的射线跟踪法(SBR)电磁场求解器选项,可针对电大尺寸平台上已安装的天线执行性能分析。在HFSS中单独创建的天线设计能够以数字化方式布置到电大尺寸平台,而且可以作为矩阵通过HFSS SBR+进行快速求解。这种强大的组合能够分析已安装的性能并优化天线布局。

ANSYS EMIT desktop

ANSYS EMIT是一款用于在复杂RF环境中评估系统性能的独特RF干扰工具。此处所示的EMIT桌面包含HFSS模型、无线电电路以及位于右上角的独特情景矩阵。情景矩阵中的红色方框表示必须解决的严重RFI问题,而绿色方框则表示没有问题。

“ANSYS RF Option现已包含ANSYS EMIT。这是一款行业领先的软件,可用来预测多个无线电发射器和接收器的RF共址与EMI干扰问题。”

ANSYS创新:RF共址预测

随着无线设备数量增加但是其运行频谱保持不变,这些通信系统更有可能相互干扰并劣化相邻系统的性能。ANSYS RF Option现已包含ANSYS EMIT。这是一款行业领先的软件,可用来预测多个无线电发射器和接收器的RF共址与EMI干扰问题。

HFSS提供的平台与天线耦合信息可通过强大的链路自动传输到EMIT。设计人员利用EMIT中的无线电电路元件库与行为模型能够快速配置RF系统,以模拟它们在现实工况下的性能。这包含来自其他无线电设备的干扰以及来自手机电路的无意辐射。软件可以提供用于诊断互调产物等复杂问题的相关工具。相互作用图表可以显示所有干扰的准确路径,有助于确定问题的原因。在确定问题后,可以对缓解措施进行仿真,以评估其效果,最终帮助工程师实现情景矩阵所示的无干扰设计。

展望未来

未来的电子产品创新将会非常广泛,而且会应用到众多行业。为实现上述创新,工程师亟需一款能够包含全部所需的物理场和系统效应、并且支持仿真和设计完整电气与电子产品的平台。在这款平台中,复杂集成电路、甚至汽车等完整产品的详细细节也都囊括其中。

虽然仿真过去只是专家的独享领域而且主要用于验证工作,但是高级自动化功能可以让产品研发团队在研发过程中提前实施更多仿真,从而快速评估设计变更。

ANSYS电磁学产品不但能够仿真电机、电路板或天线的电磁行为,而且能够以数字化方式把它们放入工作环境,因此即使存在其他阵列的干扰情况下,用户也能确定产品的实际性能。ANSYS致力于提供能够推动创新的产品。

参考资料

[1] ABB, High-efficiency motors: "Haze Killers," August 2017 abb.com

[2] Enerdata, Global Energy Statistical Yearbook 2017, August 2017 yearbook.enerdata.net

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