Gli esperti di networking prevedono che entro il 2021 il 66% di tutto il traffico Internet verrà utilizzato per servizi high-throughput quali docking wireless, streaming video, backup cloud e realtà virtuale.

L’azienda canadese Peraso Technologies consente agli utenti di passare al wireless fornendo chipset basati sullo standard emergente 802.11ad (WiGig) che offre throughput wireless ad alta velocità tramite l’uso di una chiavetta USB 3.0.

Gli ingegneri di Peraso si sono avvalsi del software di simulazione ANSYS per risolvere i problemi termici associati al confezionamento di trasmettitori ad alta potenza costretti all’interno di u piccolo involucro.

Una chiavetta per un wireless multigigabit

Le attuali interfacce dati High Speed quali, per esempio docking station, streaming video 4K, cuffie per realtà virtuale e prodotti simili, in genere richiedono connessioni cablate per evitare il classico “collo di bottiglia” dei dati.

La velocità multigigabit del chipset W120 WiGig di Peraso consente agli utenti ​​di inserire semplicemente la chiavetta USB in una porta USB SuperSpeed 3.0 per raggiungere velocità multigigabit tali da consentire agli utenti di “tagliare i cavi” delle applicazioni di interconnessione ad alta velocità.

Una delle più grandi sfide nella progettazione di un adattatore WiGig USB 3.0 basato sul chipset W120 era quella di dissipare il calore generato dall’adattatore all’interno di un enclosure, ovvero un contenitore molto piccolo simile per dimensioni a una normale pen drive.

Gli ingegneri di Peraso hanno superato questa sfida avvalendosi della simulazione multifisica ANSYS che ha permesso loro di prevedere con precisione temperatura e flusso di calore in ogni punto dell’adattatore durante le iterazioni. La simulazione ha ridotto di due terzi i tempi necessari per la progettazione termica.

La sfida della progettazione termica

WiGig è un nuovo standard di rete wireless lanciato dalla Wi-Fi Alliance (il consorzio di produttori e ricercatori che si occupa di sviluppare e manutenere gli standard della rete senza fili) che aggiunge una terza banda da 60 GHz alle attuali a 2,4 e 5 GHz del Wi-Fi, per abilitare velocità di trasmissione dati estremamente elevate, bassa latenza e trasferimento di sessioni dinamiche in dispositivi multibanda.

Il nuovo chipset W120 di Peraso fornisce una soluzione USB 3.0 high-speed to WiGig che assicura una connettività wireless high-throughput sbalorditiva per applicazioni che richiedono una maggiore larghezza di banda rispetto a quella offerta da una Wi-Fi.

Nel progettare un adattatore complementare WiGig USB 3.0, la necessità di conciliare alcuni requisiti “conflittuali” – quali quelli relativi a trasmettitori ad alta potenza in alloggiamenti compatti ed economici – rappresenta una sfida termica per i progettisti del sistema.

L’adattatore WiGig W120 include due chip principali che dissipano calore considerevole e un certo numero di componenti attivi e passivi, tutti montati su un circuito stampato (PCB) con tracce che producono effetti di riscaldamento Joule.

I due chip principali che dissipano la maggior parte del calore nell’adattatore raggiungono una temperatura di giunzione di 115 C, mentre gli altri componenti sul PCB arrivano solo a 85 C. Dato che la dissipazione del calore in un alloggiamento piccolo è molto difficile da ottenere, il modo più economico per raffreddare l’adattatore sarebbe quello di mantenere chip e PCB il più vicino possibile alle rispettive temperature massime.

Gli ingegneri hanno esplorato diverse opzioni termiche giungendo alla conclusione che la loro soluzione avrebbe dovuto impiegare un dissipatore di calore di grandi dimensioni collegato ai due chip – ma non al PCB – e uno più piccolo collegato al PCB, ma non ai due chip.

Il modello ANSYS Icepak dei componenti interni dell’adattatore mostra: il dissipatore superiore (giallo) collegato ai componenti a 115 C, il dissipatore inferiore (verde chiaro) collegato al PCB, uno dei componenti a 115 C (rosso), il PCB (verde) e il connettore USB (grigio).

Nella creazione del progetto termico, gli ingegneri avevano la necessità di identificare il punto debole nei chip, ove rimuovere solo la quantità di calore sufficiente per consentire performance a livelli accettabili, mantenendo il PCB ad una temperatura più bassa.

Questa intera struttura doveva essere racchiusa in un case con aperture limitate e poiché quest’ultimo interferiva con il flusso d’aria libero, l’ottimizzazione della sua forma è risultata indispensabile per il raggiungimento di un raffreddamento termico efficiente ed efficace.

Se gli ingegneri avessero utilizzato metodi di build-and-test tradizionali, avrebbero potuto solo ipotizzare in quale modo il calore poteva essere trasmesso attraverso l’adattatore. In particolare, l’impossibilità di misurare il flusso d’aria all’interno dell’unità ha reso molto difficile determinare come risolvere i problemi identificati nei test fisici.

Simulazione della temperatura per l’intero adattatore

Per affrontare queste sfide, il team si è avvalso del solver di campo elettromagnetico ANSYS SIwave che cattura gli effetti Joule di riscaldamento.

La mappa termica risultante è stata trasferita allo strumento di analisi termica ANSYS Icepak in cui il calore del flusso di corrente è stato messo in combinazione con tutti gli altri effetti termici per un’analisi completa.

Questo ha permesso agli ingegneri di Peraso di prevedere precisamente distribuzione e temperatura del calore in ogni punto dell’elettronica interna dell’adattatore. Sono stati inoltre modellati i componenti elettronici in Icepak – utilizzando blocchi predefiniti – e definito i componenti attivi quali le fonti di calore.

Per progettare la struttura del dissipatore di calore e l’enclosure per l’adattatore, gli ingegneri hanno creato la geometria di un progetto iniziale utilizzando ANSYS SpaceClaim per importarla successivamente nel modulo Icepak che, utilizzando tutte le informazioni svelate dalla simulazione elettronica, ha consentito di valutare la conducibilità termica ortotropica del PCB e di calcolare la temperatura in ogni punto del dominio della soluzione.

Temperatura tracciata sul flusso d’aria che si snoda attorno all’adattatore senza enclosure utilizzando ANSYS Icepak

I risultati della simulazione hanno mostrato che la temperatura dei componenti stimata a 85 C era troppo alta, principalmente a causa della dispersione di calore che dai due componenti principali – attraverso il PCB – arriva fino ai componenti a 85 C.

Per risolvere il problema, il progetto del PCB è stato modificato in modo da bilanciare la conduttività termica tra gli strati superiore e inferiore e incanalare la dissipazione del calore nella giusta direzione, modificando al contempo anche il rapporto delle dimensioni dei due dissipatori.

Sono state necessarie diverse iterazioni per raggiungere il giusto equilibrio di trasferimento di calore tra i dispositivi e il PCB – raggiunto il quale – gli ingegneri hanno inserito l’elemento “enclosure” nel progetto. L’adattatore ha influito negativamente sul flusso di calore attorno al PCB e sui dissipatori, pertanto è stato necessario predisporre alcune aperture.

Gli ingegneri si sono poi concentrati sulla ricerca della giusta configurazione di aperture nell’adattatore, in modo da creare il minimo disturbo possibile al flusso d’aria attraverso l’adattatore e ridurre la perdita nel trasferimento di calore convettivo dai dissipatori di calore all’ambiente.

L’area complessiva delle aperture è limitata da considerazioni strutturali, ma gli ingegneri hanno avuto una notevole flessibilità nel posizionarle.

Iterando verso un design ottimizzato

Per proseguire con l’ottimizzazione termica, il team ha modificato il design del contenitore numerose volte in SpaceClaim e rieseguito la simulazione, utilizzandone i risultati per essere guidati nell’iterazione verso una progettazione ottimizzata.

Il vantaggio di utilizzare SpaceClaim è che l’utente può spingere, tirare e ruotare le immagini sui modelli solidi mentre tutta la geometria vicina si regola in tempo reale, senza dover prendere in considerazione vincoli parametrici. Per capire in che modo l’aria fluisca naturalmente intorno ai componenti, gli ingegneri hanno simulato l’elettronica senza adattatore.

Successivamente hanno creato un nuovo progetto in SpaceClaim per posizionare le aperture nelle aree dove il flusso d’aria era maggiore e simulato il nuovo progetto i cui risultati hanno mostrato una dissipazione del calore migliorata.

Gli ingegneri si chiedevano se il posizionamento delle aperture dell’adattatore sarebbe stato più efficace lungo la lunghezza o la larghezza.

Così ne hanno creato due versioni, una con le aperture orientate in senso longitudinale e l’altra nell’altro senso, eseguendo una nuova simulazione su ciascuna.

Temperatura dell’adattatore con aperture nell’enclosure orientate lungo la lunghezza dell’adattatore

I risultati hanno mostrato che l’orientamento delle aperture lungo la lunghezza dell’adattatore erano più efficaci. Il team ha creato iterazioni progettuali aggiuntive per valutare altre configurazioni di apertura, riducendo la temperatura del PCB fino al punto in cui ha quasi raggiunto le specifiche.

Gli ingegneri – dopo una breve battuta d’arresto dovuta all’indecisione su come “superare la linea del traguardo” – hanno provato ad osservare la velocità del flusso su una sezione trasversale allineata con il PCB.

I risultati hanno mostrato che il flusso era ristretto in una piccola area vicino al punto in cui il PCB andava ad impattare l’enclosure. Riducendo leggermente le dimensioni del PCB per liberare il flusso in quest’area, la temperatura del PCB è scesa al livello necessario per soddisfare le specifiche.

Questa applicazione fornisce un eccellente esempio di come la simulazione consenta agli ingegneri di esplorare le soluzioni di gestione termica in molto meno tempo di quanto fosse possibile in passato, quando il test fisico rappresentava lo strumento di progettazione principale.

I test fisici forniscono misurazioni della temperatura in pochi punti chiave, il che è sufficiente a determinare l’efficacia di un progetto proposto, ma in genere fornisce poche indicazioni su come il progetto deve essere modificato per soddisfare le specifiche.

Temperatura dell’adattatore con aperture nell’enclosure orientate lungo la larghezza dell’adattatore

Gli ingegneri stimano che con il solo test fisico ci sarebbero voluti dai tre ai sei mesi per soddisfare le specifiche di temperatura sull’adattatore USB-3.

Viceversa, gli strumenti di simulazione ANSYS, hanno fornito temperature, velocità di flusso e pressione in ogni punto del dominio della soluzione.

Queste informazioni diagnostiche hanno guidato gli ingegneri nel migliorare rapidamente il progetto termico dell’adattatore.

Di conseguenza, in un solo mese gli ingegneri sono stati in grado di soddisfare le specifiche di progettazione riducendo di 7 gradi la temperatura del PCB.

 

 

 

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