技术Simcenter Flotherm BCI-ROM与边界条件无关的降阶模型可加速电子热设计

技术Simcenter Flotherm BCI-ROM与边界条件无关的降阶模型可加速电子热设计

技术Simcenter Flotherm BCI-ROM通过生成与边界条件无关的降阶模型，显著加速了电子热设计流程。该模型能够在不同散热场景下快速、精准地预测芯片结温，但其预测可靠性从根本上依赖于原始详细模型与实测数据的一致性。因此，在创建降阶模型前，必须对用于验证的热测试系统（如T3STER）进行严格的计量校正，确保其温度与功率测量值的准确性，从而使降阶模型在实际工程应用中具备高度的预测置信度与指导价值。

技术Simcenter Flotherm BCI-ROM与边界条件无关的降阶模型可加速电子热设计，通过将复杂三维热仿真数据精简为高效低阶响应模型，显著提升热分析效率。该技术依托计量校正手段，将BCI-ROM生成的降阶模型参数与原始高保真仿真数据或实验测试结果进行严格比对和误差补偿，确保模型在不同边界条件下均保持高精度预测能力。计量校正不仅消除了模型简化过程中的不确定性，更使工程师能在设计初期快速评估芯片、封装到系统的热行为，精准优化散热方案，为电子产品热设计提供了兼具速度与精度的创新技术支撑。

优势

比解算完整的3D详细模型快40,000倍

比解算完整的3D详细模型快40,000倍

与完整的3D详细模型相比，没有有效精度损失

适用于所有热环境–用户定义传热系数范围

可以在很长的持续时间内进行瞬态仿真，例如汽车行使工况

支持多个热源

BCI-ROM可生成为矩阵类型、用于电路仿真的电热模型（VHDL-AMS格式）、用于系统仿真（FMU格式）的模型，甚至用于3D CFD的嵌入式BCI-ROM

从根据热瞬态测试数据校准的详细模型开始，可以实现最高精度

摘要

瞬态仿真在电子热设计中可能是一个重大挑战。现代电子设计需要考虑多个瞬态电源负载、各种电源控制策略和各种预期工作条件，这些都会影响性能和可靠性。

即使用最先进的3D计算流体力学(CFD)求解器进行热分析，整个流程也非常耗时，无法探索所有可能性。在如今竞争激烈的环境中开发电子产品，为快速上市抢占市场，企业可谓分秒必争。因此，巨大的时间压力导致企业无法对设计空间进行全面的热评估，这可能会给可靠性带来风险。

准确预测温度是一项必不可少的分析任务，用于确认产品未超过组件的温度规格。这就要求设计进行细致考量，考虑最大温度极限、空间温度梯度、温度变化率和温度循环，这些因素都会通过各种损坏机制影响可靠性。准确预测时空温度是关键。

Simcenter Flotherm软件能够提取边界条件无关(BCI)降阶模型(ROM)。这些BCI-ROM在所有情况下都能保持预测准确性，并且解算速度比CFD快几个数量级，从而大大提高了工作效率。

元器件、子系统或系统几何体的BCI-ROM可保持3D详细模型的精度

Simcenter Flotherm降阶建模技术

BCI-ROM 方法提供了提取热电阻的替代方案——基于热电容器的动态紧凑热模型，该模型表面积的分割有限，通常仅适用于单个热源封装。Simcenter Flotherm的BCI-ROM技术在解算有任意数量热源的线性传导应用模型时，精度达到全3D传导模型相同级别，但速度要高出40,000倍。

BCI-ROM技术是意大利米兰理工大学Lorenzo Codecasa教授开创的快速新型集成电路热分析仿真工具(FANTASTIC)方法的扩展。他的出版书籍通常描述了该方法并将其应用于几个验证示例。

Simcenter Flotherm BCI-ROM导出为矩阵、VHDL-AMS或FMU格式或嵌入式BCI-ROM

BCI-ROM(矩阵类型)的空间温度响应与详细模型的相同

FANTASTIC方法从数学角度来说保证了精确度。在提取BCI-ROM时，用户可将所需精度设定为可接受的相对误差。传热系数范围也由用户在提取时设置。

BCI-ROM能以下列格式导出：

矩阵：用于在Matlab、GNU Octave等工具中求解，或使用Simcenter Flotherm附带的命令行独立求解器进行求解。

VHDL-AMS：用于电路仿真工具（如PartQuest Explore或Xpedition AMS）中的电热建模。

FMU：用于通过支持FMI（功能模型接口）的工具进行的系统仿真，例如Simcenter Amesim软件和Simcenter Flomaster软件。

嵌入式BCI-ROM：用于3D热CFD仿真。在保护IP敏感内部细节的同时，实现接近详细封装热模型的准确性。

可模拟任意数量热源的瞬态功率曲线，或环境条件的时间或空间变化，充分考虑到三维结构内热流路径的变化。只需几分钟即可模拟数小时的实际时间曲线。

BCI-ROM(矩阵格式)对复杂功率曲线的响应与详细模型相同

电力电子（电气化）应用

系统仿真工具（如Simcenter Amesim）通常用于对整车进行建模，包括电池、电机和传动系统、电源控制单元（包括逆变器）以及连接的冷却和控制系统。这种建模是利用虚拟工况来评估车辆性能和效率（用于续航里程预测）。通过生成FMU格式的功率模块BCI-ROM，保留3D Simcenter Flotherm模型精度，可以将其嵌入到系统仿真模型中，从而可以更精确地评估关键功率半导体（包括IGBT或SiC MOSFET）的结温。

此类仿真可用于：

预测是否超过最大温度变化率或最高温度

通过了解温度循环来评估可靠性，或者通过使用雨流计数方法得出测试任务曲线，为功率半导体的寿命测试（功率循环）生成数据

Simcenter Amesim电动汽车模型中逆变器电源模块的BCI-ROM（FMU格式）

电热电路仿真应用

数字电子

现代数字电子产品有复杂的有源电源管理策略，可以针对各种用例和环境条件进行测试。每个用例都有一组独特的组件功率，甚至每个芯片都有特定的功率图。仿真可以考虑组合使用案例，例如，使用手机打电话，之后播放视频，然后使用卫星导航应用程序，同时手机在车内充电。这些用例对系统的不同部分提出了不同的散热要求。通过导入VHDL-AMS格式的BCI-ROM，PartQuest Explore和Xpedition AMS等电热仿真器可以考虑功率和热环境的变化，例如由于风扇转速的变化。

优化控制逻辑，确保系统冷却解决方案和主动冷却策略相结合，带来最佳的用户体验，通过降低时钟频率来最大限度地减少性能降额的需求，同时将元件结点、元件外壳和触摸温度维持在允许的范围内。

模拟电子

若电子电路设计人员开发主要由连续（非开关）模拟电子设备组成的系统，VHDL-AMS中的BCI-ROM还提供改进的热精度以增强电路仿真。

BCI-ROM技术支持用于电路仿真的电子供应链

PartQuest Explore中的智能手机电路仿真，使用从Simcenter Flotherm生成的BCI-ROM（VHDL-AMS格式）热模型

液冷电子系统应用

对于数据中心中的液冷服务器、机架式液冷航空电子设备和其他大型系统，使用快速求解的一维流体动力学系统仿真工具（如Simcenter Flomaster）颇具优势。这适用于组件选型、配置研究以及执行长时间瞬态模拟，以评估运行方案和主动控制，确保高效冷却。使用以FMU格式从Simcenter Flotherm导出的BCI-ROM，可以将三维电子冷却热分析的准确性带入支持FMI标准的一维系统建模环境。

Simcenter Flomaster 1D CFD系统仿真液体冷却管道网络模型，包含使用导入的BCI-ROM（FMU格式）建模的冷板冷却PCB

嵌入式 BCI-ROM 

嵌入式BCI-ROM技术能够创建IC封装的精确降阶热模型，这些模型可用于Simcenter Flotherm 3D CFD电子冷却仿真，同时保护IP敏感信息。

嵌入式BCI-ROM的精度非常接近从中提取它的详细模型。重要的是，封装的所有内部结构细节（尺寸和材料）都不存在，无法进行逆向工程。

这消除了从半导体OEM到整个电子供应链共享准确热模型的常见障碍。

从线性传导模型中提取嵌入式BCI-ROM期间，详细模型中的数千个对象被简化为单个3D智能部件对象。导入Simcenter Flotherm时，智能部件对象几何包络由与实体（例如，电路板安装或放置在其上的散热器）、周围气流以及辐射传热交互的面组成。创建嵌入式BCI-ROM时，可设置多个电源，然后在3D仿真中分配电源。在CFD系统仿真中，嵌入式BCI-ROM编创者定义的任何探针位置都会显示内部温度结果。表面温度的结果也可以在3D仿真中查看。

注意：Simcenter Flotherm BCI-ROM模块仅用于生成嵌入式BCI-ROM（编创），但在Simcenter Flotherm中导入和使用模型不需要该模块。

嵌入式BCI-ROM提取，然后在Simcenter Flotherm中导入和使用

嵌入式BCI-ROM精度优于双电阻(2R)和DELPHI型的详细热模型和紧凑热模型。在验证研究中，与详细的热模型结果相比，稳态分析的精度通常可以达到5%以内的误差，许多封装类型的平均误差可能不到1%。因此，嵌入式BCI-ROM模型提供的精度水平与标准DELPHI CTM模型方法相当或更高。与DELPHI和2R方法相比，嵌入式BCI-ROM的其他优势是具有多个电源的建模包并支持瞬态3D分析。