Ansys 仿真軟件分析充電和放電現(xiàn)象

Ansys 是一家專門從事結(jié)構(gòu)、流體動(dòng)力學(xué)、電磁和多物理工程仿真的公司，最近與 Electro Magnetic Applications, Inc. (EMA) 合作推出了其 EMA3D Charge 軟件。EMA3D Charge 是一款模擬軟件，可改進(jìn)從太空探索到汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品等應(yīng)用的設(shè)計(jì)和安全性。

在大多數(shù)電子應(yīng)用中，尤其是在航空航天和汽車設(shè)計(jì)中，必須減輕與充電和放電事件相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)。在太空任務(wù)中，工程師必須確保航天器不會(huì)受到輻射和宇宙射線的負(fù)面影響。同時(shí)，任何類型的車輛都必須保持其對(duì)安全至關(guān)重要的功能，即使在遇到意外的充電或放電事件時(shí)也是如此。

靜電放電 (ESD)可能導(dǎo)致異常甚至系統(tǒng)故障，它是由超過(guò)材料強(qiáng)度的電場(chǎng)引起的，然后迫使高電流通過(guò)材料和潛在的系統(tǒng)組件。在太空中，這些高電場(chǎng)是由等離子體環(huán)境引起的充電引起的。在陸地上，它可能是由高壓差或靜電荷積聚引起的。減輕 ESD 的有害影響在所有電子設(shè)計(jì)中都是必不可少的，這使得支持 ESD 分析的工具在為這些惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)和制造車輛時(shí)必不可少。

ANSYS EMA3D 充電

Ansys 的新軟件工具滿足了工程師評(píng)估可能導(dǎo)致災(zāi)難性產(chǎn)品故障的充電和放電事件的需求。仿真軟件允許在設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行早期風(fēng)險(xiǎn)分析，從而提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性并縮短上市時(shí)間和成本。

“我們開(kāi)發(fā) EMA3D Charge 是因?yàn)槲覀兛吹竭@種軟件解決方案在行業(yè)中存在差距。盡管它一直專注于航天器行業(yè)，但事實(shí)證明，我們用于充電和放電的許多物理和解決方案也適用于比我們最初想象的更廣泛的行業(yè)”，Kevin-Druis Merenda 說(shuō), EMA 的科學(xué)家。

據(jù) Merenda 稱，Ansys 仍在探索該工具可以應(yīng)用的可能領(lǐng)域的深度。這不僅包括航天器、航空航天和國(guó)防應(yīng)用，還包括汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品，以及更普遍的任何可能存在 ESD 風(fēng)險(xiǎn)的領(lǐng)域。

該工具本身旨在通過(guò)觀察材料在等離子體環(huán)境或高壓環(huán)境中的充電方式來(lái)分析和評(píng)估靜電放電的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估非常重要，因?yàn)樗兄陬A(yù)測(cè) ESD 事件是否真的發(fā)生在航天器表面、電介質(zhì)內(nèi)部，甚至當(dāng)消費(fèi)者在地毯上行走然后觸摸他們的計(jì)算機(jī)時(shí)產(chǎn)生電荷時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

從性能的角度來(lái)看，EMA3D Charge 非常高效，因?yàn)樗枚嗪思軜?gòu)來(lái)縮短仿真時(shí)間。在單核硬件平臺(tái)上通常需要一周才能運(yùn)行的模擬現(xiàn)在可以在一兩天內(nèi)完全執(zhí)行。

太空工程師必須解決的兩個(gè)典型問(wèn)題與太空中暴露的電介質(zhì)或衛(wèi)星上的表面充電有關(guān)。

EMA3D Charge 通過(guò)利用四個(gè)物理（時(shí)域）求解器提供全面而準(zhǔn)確的分析，幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估和管理與材料裝卸相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，該工具提供以下主要功能：

· 預(yù)測(cè)由于放電事件導(dǎo)致的災(zāi)難性衛(wèi)星故障，必須在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段解決這一問(wèn)題，因?yàn)樵谲墱y(cè)試幾乎是不可能的

· 預(yù)測(cè)衛(wèi)星和太空平臺(tái)上的電荷積累，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要徹底了解等離子體和材料物理學(xué)

· 由于難以預(yù)測(cè)不良電磁干擾 (EMI) 效應(yīng)和材料退化，它執(zhí)行準(zhǔn)確的充電分析以檢測(cè)電弧何時(shí)、何地以及如何形成

該軟件還管理空氣和固體電介質(zhì)中靜電放電的影響，傳統(tǒng)上這需要大量具有高學(xué)習(xí)曲線的復(fù)雜模擬工具。可以使用 EMA3D Charge 分析的充電和放電現(xiàn)象如下：

· 空氣擊穿：在高壓系統(tǒng)中，它利用有限元時(shí)間差法和非線性空氣化學(xué)模塊來(lái)模擬各種空氣密度和濕度下的電弧放電

· 表面充電：在低能和高能等離子體環(huán)境中，以及通過(guò)摩擦起電，可以使用高度優(yōu)化的電荷平衡方程求解器

· 固體材料的內(nèi)部充電：從高能粒子通量，它利用 3D 粒子傳輸源和全波電磁有限元法 (FEM) 的耦合

· 耦合充電模擬：它利用電荷平衡方程求解器、FEM 和 3D 粒子傳輸工具來(lái)自洽地求解由表面充電問(wèn)題產(chǎn)生的 3D 電場(chǎng)

· 固體介電材料中的介電擊穿：當(dāng)局部場(chǎng)超過(guò)給定材料的介電強(qiáng)度時(shí)，使用 FEM 與 3D 粒子源和隨機(jī)樹(shù)模型的耦合來(lái)模擬。

該工具的最新版本 (2022 R1) 旨在解決更多技術(shù)問(wèn)題，包括 PCB、3D IC 封裝、EMI/EMC、熱、布線和機(jī)電設(shè)計(jì)，在 5G、自動(dòng)駕駛汽車和電氣化仿真方面取得了重大進(jìn)展。圖 2 顯示了新介電擊穿能力的一個(gè)示例，用于評(píng)估航天器、太陽(yáng)能電池板、高壓固體絕緣體、電纜和連接器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)和介電擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

“今天，我們?cè)诓牧虾吞?yáng)能電池板設(shè)計(jì)方面取得了許多進(jìn)步。能夠使用更高功率的太陽(yáng)能電池板和創(chuàng)新材料，并快速有效地模擬那些用于 GEO 環(huán)境和其他任務(wù)的材料，是我們已經(jīng)完成的一項(xiàng)重大任務(wù)，”EMA 高級(jí)科學(xué)家 Gregory Wilson 說(shuō)。

除了在太空中執(zhí)行 ESD 測(cè)試外，最重要的事情之一是輻射硬化。許多電子元件需要進(jìn)行抗輻射處理，以確保它們能夠經(jīng)受住任何位翻轉(zhuǎn)。

“這些是我們可以用我們的工具解決的問(wèn)題，特別是屏蔽效應(yīng)和那種可靠性。我們還準(zhǔn)備在我們的實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量特定的材料特性，這些特性將用作工具的輸入”，Wilson 說(shuō)。

這就是為什么 Ansys 建立了一個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，允許他們運(yùn)行與為驗(yàn)證它們而設(shè)置的模擬相同的測(cè)試。來(lái)自仿真的數(shù)據(jù)也可以耦合到 Ansys 環(huán)境中的其他工具，例如 EMA3D Cable。

“EMA3D 電纜允許我們將發(fā)生在電纜上的瞬變耦合，以了解下線電路將如何受到影響。為此，我們從仿真中導(dǎo)出一個(gè) S 參數(shù)文件，使我們能夠直接將這些影響應(yīng)用到香料模型，然后可用于電路設(shè)計(jì)和分析”，Wilson 說(shuō)。

正如威爾遜解釋的那樣，每當(dāng)他們有客戶來(lái)他們的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試時(shí)，他們都會(huì)免費(fèi)向客戶提供該測(cè)試的候選模擬。通過(guò)這種方式，他們可以展示測(cè)試和仿真的互補(bǔ)性，并展示工具的驗(yàn)證，這將使他們能夠執(zhí)行更多的仿真，并改變他們可能擁有的設(shè)計(jì)迭代，而無(wú)需測(cè)試每一個(gè)設(shè)計(jì)改變。