Conheça 5 desafios no desenvolvimento de equipamentos eletrônicos
A crise global de escassez de semicondutores levou a grandes interrupções de produção para fabricantes de equipamento original (Original Equipment Manufacturer – OEM) nos setores automotivo, eletrônicos de consumo e de saúde. Para manter a produção, muitas empresas foram forçadas a depender de fornecedores não oficiais para obter os componentes necessários, gerando incerteza na qualidade das peças recebidas. Além disso, algumas empresas não tiveram escolha a não ser substituir componentes usados anteriormente por componentes alternativos devido à escassez da cadeia de suprimentos.
A troca de componentes ou fornecedores pode representar sérios problemas de operação, especialmente em aplicações de alta confiabilidade, como as das indústrias médica ou aeroespacial. A substituição de um componente pode fazer com que o produto perca a certificação sendo necessário realizar novos testes de compatibilidade eletromagnética, integridade de sinais, gerenciamento térmico e tempo de vida.
Nesse cenário mundial, as soluções de simulação computacional da Ansys são essenciais para realizar um design de produtos eletrônicos mais confiável, robusto e ajustável a cadeia de suprimentos utilizada pela empresa.
No ambiente virtual é possível avaliar 5 principais desafios para um design eficiente:
- Compatibilidade e interferência eletromagnética.
- Integridade de sinais e potência
- Análise de dispositivos wireless
- Gerenciamento térmico de PCBs
- Confiabilidade eletrônica
Desafios de compatibilidade eletromagnética, integridade de sinais e potência em produtos eletrônicos:
No desenvolvimento de qualquer produto eletrônico existe uma etapa crucial chamada teste de compatibilidade eletromagnética. Muitas vezes encarada como um grande desafio para a engenharia de desenvolvimento, e uma etapa de grande risco para a estratégia de entrada no mercado, já que o produto precisa estar certificado para ser vendido.
O desafio sempre foi não conseguir ter 100% de certeza que não existem problemas de compatibilidade ou interferência em uma PCB, até os testes com protótipos começarem. O processo é longo, demorado, cansativo e muito custoso para que os engenheiros tenham um produto pronto para venda, colocando em risco a estratégica de mercado. Esse problema se agrava ainda mais com a crise de componentes eletrônicos.
E se por acaso existisse uma forma de minimizar os riscos encontrando os problemas de EMI/EMC antes dos testes extremamente caros, otimizar o produto, ter liberdade para inovar sem custos altíssimos, ajustar rapidamente o projeto aos componentes disponíveis no mercado e ainda colocar mais rápido o produto no mercado. É exatamente isso que as soluções de simulação Ansys oferecem para o desenvolvimento de equipamentos eletrônicos.
Assista ao webinar Como garantir integridade de sinais e potência em projetos de placas eletrônicas e conheça testes de integridade de sinais e potência, assim como estudos de circuito e componentes em PCB’s
Ansys HFSS: A ferramenta para análise completa de equipamentos eletrônicos
O Ansys HFSS é uma ferramenta de simulação computacional preparada para permitir aos usuários representar um laboratório completo de medições dentro de um ambiente virtual. A placa eletrônica pode ser configurada e posicionada para testes como emissões radiadas e conduzidas seguindo diferentes normas de certificação.
Uma simulação de câmara anecoica realizando testes para indústria automotiva.
A ferramenta possui uma série de setups pré-definidos para testes de emissões radiadas, conduzidas, descarga estática entre outros. Toda a biblioteca é configurável para a norma desejada pelo usuário, disponibilizando também modelos de Line Impedance Stabilization Network (LISN) e diversos componentes para configuração das PCBs a serem avaliadas.
Também é possível importar informações de parâmetros S, modelos SPICE e IBIS para testes de circuito, criando um fluxo de trabalho que se inicia em testes de integridade de sinais, integridade de potência, sensibilidade e mitigação de interferências na PCB. Tudo isso com testes rápidos para garantir a adequação do projeto as peças disponíveis no fornecedor, mantendo o desempenho do produto.
Análise de integridade de sinais considerando layout de PCB.
Após análises de circuitos, consideramos efeitos no layout 3D da placa, avaliando crosstalk, estudo de backdrilling via, otimização da distância de um oscilador ao sinal de clock entre outros.
Para finalizar, o produto completo é considerado na simulação. Com todas as estruturas mecânicas e eletromagnéticas calculadas, é possível se alcançar níveis de precisão que permitem a utilização da simulação para otimizar de forma dinâmica o produto, já com o objetivo de passar nas certificações exigidas pelos mercados ao qual serão comercializados.
Setups de teste pré-configurados dentro do Ansys HFSS.
Assista a masterclass gratuita EMI/EMC – Compatibilidade Eletromagnética para aprender nosso fluxo de trabalho para simulação de emissões conduzidas e radiadas.
Desafios de sistemas wireless
A quinta geração de redes móveis, conhecida como 5G, é uma tecnologia disruptiva que está revolucionando a sociedade e a forma como vivemos, trazendo uma realidade de dispositivos sem fio sem precedentes. Com uma grande evolução tecnológica em relação antiga tecnologia 4G LTE (Long-Term Evolution), o 5G proporcionará um aumento nas taxas de transmissão de dados de 10 Mbits/s para mais de 1 Gbit/s, com maior eficiência energética, 1.000 vezes mais largura de banda por unidade de área, 10.000 vezes mais tráfego de dados e 100 vezes mais dispositivos conectados por unidade de área.
Devido sua alta confiabilidade, velocidade, segurança e suporte para conexão de bilhões de dispositivos, o setor do 5G tem projeção de crescimento ilimitada, sendo fundamental para o desenvolvimento de tecnologias atuais e futuras, como dispositivos para internet das coisas e indústria 4.0.
Ser capaz de desenvolver dispositivos eficientes capazes de se integrar às futuras redes 5G é essencial para o mercado de equipamentos eletrônicos. Devido a desafios como o aumento de complexidade na tecnologia, adaptação a falta de componentes no mercado e exigências de projeto em curto tempo de desenvolvimento, engenheiros e projetistas das maiores empresas do mundo recorrem às soluções Ansys de simulação para obter uma vantagem competitiva e não perder espaço no mercado.
Para mais detalhes, ouça o episódio Tecnologia 5G e sua revolução no mercado brasileiro do podcast CAE Talks.
Design de antenas
O 5G exige um design de antenas mais complexos, que usam matrizes de antenas ativas para fornecer melhor cobertura, reduzir interferências e aumentar a capacidade de transmissão de dados.
Para análises de matrizes de antenas ativas, por meio do Anys HFSS é possível utilizar diversas técnicas para análises. Cada técnica pode ser aplicada de acordo com os objetivos e etapas do projeto.
Usando Unit Cell, é possível projetar um elemento do array e considerá-lo com periodicidade infinita para entender o comportamento geral do Array. O Finite Array Domain Decomposition é uma técnica avançada que é possível definir quantos, quais elementos e qual a geometria do array será analisada, fazendo uma malha para cada célula e replicando para os elementos semelhantes. Por fim, o Explicit Finite Array considera todas as iterações e efeitos eletromagnéticos e cria uma malha otimizada para a geometria do dispositivo real.
Assista ao webinar gratuito Desafios de EMI/EMC em projetos na era 5G para mais detalhes sobre design de antenas. Veja como configurar e realizar testes de antenas e ajustar o design para garantir a conectividade em ambiente computacional utilizando Ansys HFSS.
Simulação de cenário de operação
Um dos grandes desafios da tecnologia 5G e também de qualquer projeto de rede wireless é o posicionamento e operação das antenas em um ambiente real. Muitos testes práticos são necessários e regiões de sombra podem existir, prejudicando a cobertura e operação dos sistemas.
As soluções Ansys de simulação computacional são perfeitas não somente para o projeto de produtos, mas também para a implementação de redes e testes em cenários indoor e outdoor. Dessa forma podemos estudar como a energia radiada por uma antena está se comportando em qualquer cenário, otimizar a localização e das antenas e garantir uma rede muito mais otimizada, eficiente e muitas vezes com um número menor de antenas e pontos de acesso.
Na figura abaixo podemos ver uma dessas análises. O engenheiro de RF pode testar desde o design da antena, até o melhor posicionamento em uma torre de comunicação e posteriormente instalar a torre em um ponto estratégico de uma cidade para teste de cobertura.
Cenário de simulação com conjunto de antenas em uma torre e operando em uma cidade.
Desafios de Gerenciamento Térmico
Os dispositivos eletrônicos modernos são mais rápidos, menores e mais densos do que nunca. Como projetamos milhões de transistores em uma pequena área, esses dispositivos tendem a gerar muito calor. Efeitos mecânicos induzidos pelo calor, como delaminação e quebra de juntas de solda que conectam os chips às suas placas de circuito impresso (PCBs), podem causar problemas de confiabilidade em todo o sistema.
É fundamental simular as propriedades eletrotérmicas e estruturais durante o desenvolvimento de projetos e equipamentos eletrônicos antes de construir o hardware. As ferramentas de simulação da Ansys podem resolver esses desafios e melhorar a confiabilidade e o desempenho dos equipamentos eletrônicos durante seu desenvolvimento.
Considerando as placas gráficas (também conhecidas como GPUs) — estamos vendo uma expansão múltipla de seus usos em vários aplicativos. As criptomoedas estão aumentando a demanda por GPUs devido à sua capacidade de acelerar o processo de mineração de criptomoedas. Além de gráficos e mineração de bitcoin, as GPUs também estão sendo usadas para computação de alto desempenho, aprendizado de máquina, finanças computacionais, bem como sistemas de direção automatizada/avançada de assistência ao motorista (ADAS).
Essencialmente, uma placa gráfica é um PCB que possui sua própria unidade de processamento (geralmente com centenas de núcleos de computação) e memória DDR de alta velocidade. Como acontece com qualquer dispositivo eletrônico, os problemas relacionados às placas gráficas podem ser categorizados como elétricos, térmicos e mecânicos. Além do calor produzido pelos próprios chips, o fluxo de corrente dentro dos planos de energia pode causar aquecimento, levando a problemas induzidos por calor.
Ansys Icepak
O Ansys Icepak pode prever esses problemas térmicos em um protótipo virtual muito antes de você fabricar a placa gráfica. Você pode realizar análises térmicas independentes e simulações eletrotérmicas multifísicas no Ansys Icepak.
Como parte integrante do Ansys Electronics Desktop, ele trabalha em conjunto com solucionadores eletromagnéticos (EM) em um ambiente unificado. Ele oferece recursos poderosos em uma interface amigável e uma biblioteca conveniente de componentes térmicos comumente usados para resolver problemas térmicos durante o desenvolvimento de equipamentos e dispositivos eletrônicos.
Para mais detalhes em como realizar e desenvolver projetos de gerenciamento térmico em ambiente computacional utilizando Ansys Icepak, assista ao webinar gratuito Análise térmica de equipamentos eletrônicos.
O Ansys Icepak permite que você importe facilmente layouts elétricos de CAD (ou ECAD) e modelos mecânicos de CAD (ou MCAD) de componentes. Você pode adicionar facilmente componentes 3D como ventiladores e dissipadores de calor de sua biblioteca integrada. Você pode executar simulações paramétricas para estudar os efeitos de vários níveis de potência nos componentes. Ansys Icepak pode realizar análise de potência máxima e prever temperaturas operacionais seguras da placa gráfica e seus componentes antes que eles sofram uma possível quebra induzida por calor.
Análise de potência máxima de uma CPU em uma placa gráfica no Ansys Icepak.
Simulação de dissipação térmica de uma placa gráfica em Ansys Icepak.
Ansys Icepak é a principal solução de resfriamento eletrônico para ICs, PCBs, computadores e data centers. Além das análises térmicas independentes, você pode acoplar o Icepak com produtos EM como HFSS, Q3D Extractor e Maxwell para simulações eletrotérmicas de antenas, eletrônica de potência e maquinário elétrico.
Desafios de Confiabilidade Eletrônica
As trocas de componentes podem envolver uma simples troca “igual por igual” sem redesenho. Em outros casos, a falta de componentes pode justificar uma mudança maior no projeto do conjunto da PCB, incluindo a reorganização dos passivos na placa ou redesenhos mais complexos. O nível de qualificação necessário depende não apenas de quanto redesenho foi envolvido, mas também se isso exige requalificação devido a requisitos de conformidade para a indústria ou aplicação específica. Abordagens de física de confiabilidade podem atingir todos esses cenários.
A análise física de confiabilidade (RPA) ou física de falha (PoF) abrange a confiabilidade como parte integrante do processo de design, baseando as avaliações de confiabilidade no mecanismo de falha. Essa análise de causa e efeito é orientada por design, geometria, material e ambiente, fornecendo aos engenheiros informações valiosas e acionáveis. A RPA oferece três rotas para encurtar o processo de qualificação de confiabilidade enfrentado pelos OEMs forçados a trocar componentes ou fornecedores durante essa tumultuada escassez de peças.
Teste de Vida Acelerado (ALT)
A ALT submete as montagens a condições extremas, além de seu ambiente operacional normal, para identificar os prováveis modos de falha e mecanismos de falha. Então, uma vez que o tempo até a falha (TTF) é determinado experimentalmente na condição extrema, o RPA é usado para prever o TTF na condição de uso. O fator de aceleração (AF) entre TTFs extremos e de uso é conduzido pela física de confiabilidade. A ALT tem sido usada há anos por empresas para encurtar o tempo de qualificação de confiabilidade, mas ainda pode consumir muito mais tempo e recursos do que o desejado ou necessário. Testes de vida acelerados podem variar de semanas a meses e até anos.
Simulação baseada em RPA
As simulações de RPA podem modelar virtualmente uma peça ou produto com base nas entradas de material e analisar os riscos de confiabilidade com base em diferentes mecanismos de falha, incluindo choque mecânico, vibração e variação de temperatura. Com anos de dados de testes físicos disponíveis para ajustar as simulações, o Ansys Sherlock tem precisão comprovada. Isso fez com que a simulação de RPA se tornasse cada vez mais aceita pela indústria para substituir os testes físicos.
A ferramenta Ansys Sherlock, testa uma placa de circuito impresso para prevenir riscos de confiabilidade de ciclos de temperatura.
Acesse o webinar Confiabilidade para produtos eletrônicos com Ansys Sherlock para ver como realizar testes de confiabilidade de PCBs em ambiente computacional.
A confiabilidade do componente pode ser determinada em dias versus semanas ou meses necessários para testes físicos. Além disso, a simulação pode avaliar várias peças de reposição simultaneamente e executar iterações de simulação rapidamente à medida que novos dados se tornam disponíveis. Como a simulação de RPA oferece avaliações de confiabilidade rápidas e precisas, ela se tornou uma ferramenta valiosa para OEMs que enfrentam uma troca de peças devido à crise de escassez de peças.
Devido à crise global de escassez de peças causada por atrasos na cadeia de suprimentos e alta demanda, os fabricantes de eletrônicos tiveram que mudar e recorrer à troca de componentes. Infelizmente, essas estratégias podem levar a maiores riscos de confiabilidade ou podem exigir requalificação devido a requisitos de conformidade. Em qualquer uma dessas situações, a implementação de simulação computacional utilizando Ansys Sherlock para testes de confiabilidade pode ajudar os fabricantes a reduzir o tempo de qualificação e o custo de recursos.
