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Prévoir la dissipation de chaleur produite par l’effet Joule, 2 exemples pratiques

by Cadlog on 13 mai 2019

L’effet Joule est l’un des principaux phénomènes qui se produit dans les appareils électroniques lorsque l’énergie électrique est transformée en énergie thermique. En résumé, l’effet Joule est la production de chaleur due à la circulation d’un certain courant dans un matériau conducteur lui opposant une résistance.

Dans certains cas, l’effet Joule est recherché – comme dans les fusibles, dans les sèche-cheveux ou dans les fours électriques – mais dans la plupart des cas, c’est une conséquence inévitable générant une chaleur indésirée et potentiellement nocive. Du point de vue des personnes impliquées dans la simulation thermique d’un dispositif électronique, il s’agit d’un problème qui nécessite une identification claire, dans un environnement de conception en 3D.

L’effet Joule peut être géré efficacement avec un outil tel que Simcenter FloTHERM XT, le simulateur thermique intégré de PADS Professional. Cette solution de conception de PCB proposée par Mentor et Siemens a été conçue pour les petites et moyennes entreprises de conception électronique. L’effet joule est maintenant pleinement pris en compte dans les dernières versions de FloTHERM XT.

Les domaines d’application typiques de la simulation de la chaleur produite par effet Joule sont : les « bus bars » (jeu de barres), les plans d’alimentation/les plans de masse des PCB ou des substrats des BGA, les « lead frames » (cadre conducteur) et les fusibles. Ils peuvent tous jouer un rôle prépondérant dans la dissipation totale de la puissance dans un système.

Exemple 1 – Simulation thermique d’un fusible

Ci-dessous, nous voyons l’exemple typique d’un fusible monté sur un circuit imprimé. La cartouche du fusible a été masquée pour plus de clarté. Une valeur de courant est définie sur la piste. Un via connecte la sortie du fusible vers le plan de masse.

dissipazione termica per effetto joule

FloTHERM XT est capable d’animer des fluides continus comme : un flux de chaleur, un flux d’air ou un flux de courant. Cela permet d’examiner leurs directions et de trouver d’éventuelles obstructions. L’animation montre comment le courant électrique circule dans le circuit se traduisant par une température aux différents endroits.

dissipazione termica per effetto joule

La vitesse des flèches est donnée par la densité du courant, elle-même étroitement liée à la dissipation de puissance et à la température résultante. Notez la densité de courant élevée à l’intérieur du corps du fusible dans ce cas. FloTHERM XT peut également montrer la dissipation de puissance résultant de l’effet Joule. S’agissant d’une simulation 3D, la densité de puissance est exprimée en puissance par volume, dans ce cas mW/mm3.

dissipazione termica per effetto joule

Cependant, la température qui en résulte est l’élément le plus intéressant. Ici, les températures les plus élevées ont été relevées dans le corps du fusible.

dissipazione termica per effetto joule

Le rôle joué par le fusible implique un couplage entre le monde électrique et le monde thermique. Un accroissement de la température entraînera une augmentation de la résistivité électrique, ce qui augmentera la densité de courant et donc la puissance du chauffage par effet Joule, qui augmentera à son tour la température, etc. Si la chaleur est évacuée assez rapidement, un équilibre est obtenu et les conditions se stabilisent à une température constante. Si le couplage est trop fort, en particulier dans des conditions de courant élevé, la température augmentera jusqu’à ce que le fusible surchauffe et joue son rôle. FloTHERM XT est capable de gérer ce couplage grâce à sa possibilité de caractériser la résistivité électrique dépendant de la température.

Exemple 2 – Analyse du PDN d’un circuit imprimé

L’autre exemple que nous allons étudier montre les effets du chauffage par effet Joule sur le réseau de distribution des alimentations (PDN) d’un circuit imprimé. FloTHERM dispose d’une technologie unique pour la représentation complète en 3D des géométries aussi complexes que celles définies dans les plans d’alimentations des PCB  (dans ce cas, PADS Professional) qui peuvent être incluses dans une simulation de chauffage par effet Joule. Les tracés résultants montrent : la distribution de la tension (le PDN fonctionne comme prévu, en fournissant le potentiel de tension uniformément), l’amplitude de la densité de courant, la dissipation de puissance du chauffage par effet Joule résultant et enfin la température résultante.

Power Distribution Network (PDN)
Power Distribution Network (PDN)

Dans ce cas, nous aurons une très faible augmentation de température sur l’environnement. Dans l’électronique numérique « typique », c’est la dissipation de puissance dans les circuits intégrés (Die) qui dicte le comportement thermique du système, et non le chauffage par effet de Joule dans les PDN.

Chauffage par effet de Joule dans les circuits imprimés à forte puissance et les dispositifs électroniques : l’importance de la mécanique des fluides numérique dans la conception

Regardez le webinaire à la demande

webinar sulla disspipazione del calore prodotto per effetto Joule

L’effet Joule est la cause la plus fréquente de surchauffe dans les dispositifs électroniques, ce qui provoque souvent des retards dans le lancement des produits sur le marché. Mais il est possible d’intervenir facilement sur ce phénomène et ce depuis les premières phases de la conception

Dans ce webinaire, l’ingénieur Stefano Morlacchi montre comment il est possible d’utiliser FloTHERM XT pour modéliser l’effet Joule et obtenir des entrées valides au cours de la phase initiale du processus de conception. Vous verrez ensuite quels sont les avantages et les inconvénients des simulations de ce type et à quel point il est facile d’importer directement les circuits imprimés (PCB) dans l’environnement d’analyse thermique.

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