當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)中沒有問題的解析解決方案時(shí)，多物理場仿真可以為您提供一個(gè)完整的數(shù)值解決方案，用于描述系統(tǒng)多個(gè)方面的行為。正確的3D解算器可讓您基于多個(gè)物理領(lǐng)域之間的相互作用來模擬PCB的行為。這種類型的模擬對于不適合基于SPICE的模擬的復(fù)雜系統(tǒng)中的行為建模非常有用。

多物理場是什么？

多物理場仿真涉及在單個(gè)仿真中對系統(tǒng)的不同物理方面之間的交互進(jìn)行建模。許多系統(tǒng)很復(fù)雜，尤其是電子系統(tǒng)，并且不同的物理量（例如電流和溫度）以復(fù)雜的方式關(guān)聯(lián)。除了單獨(dú)的物理模擬之外，工程師還需要考慮物理不同方面之間的相互作用，這需要多物理場模擬方法。這樣可以更全面地了解系統(tǒng)的行為。

在任何用于模擬PCB的多物理場模型中，所面臨的挑戰(zhàn)是要準(zhǔn)確地對系統(tǒng)中采購項(xiàng)的行為進(jìn)行建模，無論這些項(xiàng)是機(jī)械負(fù)載，耗散熱量的電子組件還是系統(tǒng)中的熱源和熱沉。由于多物理場軟件可以使用3D場求解器模擬來求解系統(tǒng)中的微分方程的耦合集，因此另一個(gè)挑戰(zhàn)是在空間和時(shí)間上創(chuàng)建足夠精細(xì)的系統(tǒng)網(wǎng)格。在空間和時(shí)間上精細(xì)劃分網(wǎng)格對于確保結(jié)果準(zhǔn)確至關(guān)重要，盡管過于精細(xì)的劃分網(wǎng)格將需要更長的計(jì)算時(shí)間。平衡計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間是多物理場仿真中的主要挑戰(zhàn)。

在PCB中，根據(jù)電源完整性和信號完整性分析來量化電氣可靠性，其目標(biāo)是最大程度地減小電源波動，串?dāng)_和對EMI的敏感性。評估熱可靠性需要進(jìn)行熱仿真，以評估電路板和組件的溫度。這使您可以確定電路板是否在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)運(yùn)行。最后，機(jī)械可靠性與高溫下的熱膨脹有關(guān)，您需要評估通孔，焊點(diǎn)以及電路板本身的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

動態(tài)/瞬態(tài)行為與穩(wěn)態(tài)行為

可以在時(shí)域中執(zhí)行多物理場仿真，盡管這些仿真需要大量的計(jì)算能力，內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。除非您在計(jì)算期間利用并行化，否則時(shí)域中的小規(guī)模3D模擬可能需要幾天才能完成。

時(shí)域多物理場模擬可以大致分為兩種：瞬態(tài)模擬和動態(tài)模擬。每種類型的仿真都與SPICE封裝中的相應(yīng)電路仿真相似。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)或系統(tǒng)中的源術(shù)語突然更改（例如，組件打開或關(guān)閉）時(shí)，系統(tǒng)需要一些時(shí)間來適應(yīng)此更改。

可以為RC電路進(jìn)行模擬：如果施加到電容器的電壓突然從0變?yōu)槟硞€(gè)正電壓，電荷隨時(shí)間累積在電容器上，則不會立即變?yōu)?/span>Q = CV。當(dāng)系統(tǒng)中的采購條款在時(shí)間上不連續(xù)時(shí)，可以在時(shí)域的多物理場仿真中檢查此行為。

瞬態(tài)行為表明您已隨著時(shí)間的推移將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)。一旦了解了瞬態(tài)行為，就可以為開始檢查系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)行為所需的仿真時(shí)間提供基準(zhǔn)。在PCB中，一旦系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)的行為就會在時(shí)間上保持恒定，您只需要檢查整個(gè)板上溫度，機(jī)械應(yīng)力和電壓/電流的空間分布即可。

PCB設(shè)計(jì)中使用多物理場仿真來驗(yàn)證設(shè)計(jì)選擇，檢查電氣行為，識別可能的熱管理問題，甚至確保機(jī)械可靠性。目的是在設(shè)計(jì)中可能產(chǎn)生電氣，熱或機(jī)械缺陷之前，先確定它們是否會在板上造成重大問題。這些可能包括某些電路中的串?dāng)_或非線性電效應(yīng)，識別板上的熱點(diǎn)或抗機(jī)械沖擊。

一個(gè)例子：熱循環(huán)

電路板在運(yùn)行期間的熱可靠性和機(jī)械可靠性以多種方式關(guān)聯(lián)。有源組件會在電路板上產(chǎn)生大量的熱量，而FR4基板的低導(dǎo)熱系數(shù)會導(dǎo)致熱量積聚，從而導(dǎo)致溫度顯著升高。電路板在加熱時(shí)會膨脹，從而在整個(gè)電路板上的走線，過孔和其他電子元件上產(chǎn)生應(yīng)力。這是由于整個(gè)板上不同材料的體積膨脹系數(shù)之間的不匹配引起的。

多層板上的通孔在熱循環(huán)過程中容易斷裂。如果電路板以緩慢的速度加熱到高溫并保持在該溫度下，則由于靜電應(yīng)力而對導(dǎo)體造成機(jī)械損壞的危險(xiǎn)較小。在熱循環(huán)過程中會出現(xiàn)危險(xiǎn)，在這種情況下應(yīng)力會導(dǎo)致通孔針筒疲勞。由于應(yīng)力集中在這些位置，焊盤內(nèi)通孔上的對接也是真正的故障點(diǎn)。

在電路板工作時(shí)熱循環(huán)下對PCB進(jìn)行的這種多物理場模擬可讓您分析電路板中的溫度上升與電氣操作期間的機(jī)械應(yīng)力之間的聯(lián)系。您將能夠在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)查看整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力，電磁場，電壓/電流分布和溫度。

更進(jìn)一步：頻域仿真

當(dāng)使用包含純諧波源的系統(tǒng)時(shí)，將多物理場仿真中的控制方程式轉(zhuǎn)換到頻域通常非常有用。當(dāng)您錯(cuò)過系統(tǒng)的瞬態(tài)行為時(shí)，您將獲得有關(guān)系統(tǒng)如何響應(yīng)不同頻率源的完整視圖。