ANSYS Q3D Extractor

Общая информация

ANSYS Q3D Extractor – основной модуль для анализа паразитных параметров систем электронных компонентов, обусловленных их конструктивным исполнением. Создание эквивалентных частотно зависимых моделей RLCG, SPICE/IBIS моделей основано на моделировании распределения двумерного и трехмерного электромагнитных полей.

Комбинация численных методов, лежащих в основе решателей ANSYS Q3D Extractor, позволяет работать с задачей извлечения RLCG параметров топологии с максимальной точностью и скоростью. Пользователю предоставляется огромный инструментарий и современный постпроцессор для расчёта и оптимизации топологии устройств, основанном на анализе виртуальной модели.

Способность генерировать высокоточные модели низких порядков для использования их в симуляторах цепей делает Q3D Extractor идеальным программным продуктом для проведения анализа целостности сигналов и питающих цепей, при изучении перекрестных помех, влияния «земли», задержки и реверберации в соединениях, а также для исследования производительности высокоскоростных электронных изделий, таких, как многослойные печатные платы, современные электронные модули и трехмерные пассивные чип-компоненты.

Некоторые возможности решателей пересекаются с ANSYS Maxwell.

Решатели ANSYS Q3D Extractor могут быть использованы для диапазона частот возбуждения от постоянного тока до частот, при которых длина волны электромагнитного поля во много раз больше размеров объекта. Используется квазистационарное приближение в решении электромагнитного поля с использованием численных методов конечных элементов (FEM) и метода моментов (MOM), который дополнен методом быстрого многополюсника (Fast Multipole Method, FMM) для ускорения вычислений.

Модуль обычно используют при разработке современных высокоскоростных электронных устройств, при решении задач электромагнитной совместимости EMI/EMC, частотнозависимые эквивалентные модели пониженного порядка паразитных параметров RLCG используют в симуляторах системного уровня ANSYS Simplorer, ANSYS Designer или в SPICE - совместимых программах.

Создание моделей IBIS корпусов интегральных схем. Анализ целостности сигнальных цепей и цепей питания.

Возможность создания высокоточных моделей SPICE пониженного порядка для использования в симуляторах цепей делает ANSYS Q3D Extractor идеальным программным обеспечением для создания моделей упаковок IBIS для анализа целостности сигнальных и питающих цепей. Анализируются перекрёстные помехи, скачки потенциала земляной шины, задержки и звон в соединителях, это помогает оценить производительность высокоскоростных электронных компонентов: многослойных печатных плат, упаковок электронных компонентов, встроенных в микросхему, пассивных элементов.

Типичные примеры задач для ANSYS Q3D Extractor

ANSYS Q3D Extractor также необходим для точного определения электрических паразитных параметров критических межкомпонентных соединителей в упаковке, на печатной плате и вдоль всего пути между чипом, упаковкой и печатной платой (разъёмы, кабели, соединители и линии передач).

 

Создание эквивалентных моделей

ANSYS Q3D Extractor используется для создания эквивалентных моделей подсистемы SPICE/эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами. В зависимости от того, используется двумерный или трехмерный электромагнитный решатель, для экспорта доступны те или иные форматы: 

Трехмерный решатель Q3D Extractor:

Экспорт RLCG данных решения в модели форматов ANSYS EM Circuit(*.cir), ANSYS EM Simplorer Circuit(*.sml), Berkeley SPICE Circuit(*.bsp), Cadence DML(*.dml), HSPICE Circuit(*.sp), IBIS Package Model(*.pkg), Maxwell Spice Circuit(*.spc), PSpice Circuit(*.psp), Spectre Circuit(*.ckt), IBIS ICM(*.icm).

Экспорт эквивалентных моделей в различные форматы

Двумерный решатель 2D Extractor:

Экспорт RLCG данных решения в модели форматов: ANSYS EM Simplorer (*.sml), Berkeley SPICE (*.bsp), Cadence DML(*.dml), PSpice Circuit(*.sp), Spectre Circuit(*.ckt), Intel LCF (*.lcf), IBIS ICM(*.icm), HSPICE Circuit(*.sp), Maxwell Spice circuit (*.spc), Nexxim/HSPICE W Element(*.sp) and Nexxim/HSPICE RLGC W Element(*.sp)

Разработка компонентов силовой электроники

ANSYS Q3D Extractor используется для проектирования силового электронного оборудования, используемого в гибридных электрических технологиях, в задачах распределения электроэнергии для оптимизации структуры инвертора/преобразователя: минимизация индуктивности шин постоянного тока, оценка перенапряжений и токов короткого замыкания. ANSYS Q3D Extractor позволяет извлекает параметры сопротивления, частичных индуктивностей и паразитную ёмкость силовых шин и инверторов/преобразователей, кабелей. Эти параметры представляются в виде эквивалентных моделей для симулятора ANSYS Simplorer для рассмотрения электромагнитной совместимости EMI / EMC силовой электронной системы. Сопряженные расчёты с модулями ANSYS Mechanical и ANSYS IcePak позволяют изучать электротермические напряжения, вызванные электрическими токами.

Пример использования эквивалентной модели шины постоянного тока инвертора из Q3D Extractor в симуляторе системного уровня ANSYS Simplorer для анализа EMI\EMC.

Сенсорные экраны

ANSYS Q3D Extractor подходит для проектирования сенсорных дисплеев посредством извлечения значений матриц RLCG. Способность эффективно работать с тонкими проводящими слоями, такими, как оксид индия-олова (ITO), может ускорить вычисления до 22 раз по сравнению с традиционными методами моделирования объёмных проводников.

Распределение заряда на поверхности сенсорного экрана с учётом капель воды.

Кабели и линии передач

Двумерный решатель электромагнитного поля 2D Extractor хорошо подходит для работы с сечениями топологий линий передач и кабелей, электромагнитное поле которых можно рассматривать в плоскопараллельном виде. Решатель определяет погонные RLCG параметры, волновое сопротивление Z0, скорость распространения, задержки, затухания, эффективную диэлектрическую проницаемость, дифференциальные параметры и перекрестные помехи кабельных сборок и линий передач. Присутствует функционал по учёту шероховатости поверхностей.

Линии передач и кабельные сборки анализируются в 2D Extractor

Функционал графического редактора ANSYS Q3D Extractor в полной мере обеспечивает потребности пользователя на этапе подготовки модели для расчёта:

  • Импорт сторонней геометрической CAD-модели поддерживается из всех современных пакетов трехмерного моделирования. Более подробно о импорте геометрических моделей можно узнать в описании лицензии ANSYS Alinks for MCAD. Начиная с релиза ANSYS EM R19 импорт сторонних моделей реализуется через ANSYS SpaceClaim Direct Modeler.
  • Работа с большими сборками из ECAD, например, печатные платы.
  • База примитивов: прямоугольник, окружность, параллелепипед, цилиндр, конус, сфера, тор.
  • Возможность создания геометрических моделей сверху-вниз (операции с геометрическими примитивами) и снизу-вверх (точки, линии, поверхности, объемы).
  • Операции над геометрическими объектами (сложение, вычитание, пересечение и т.д.).
  • Возможность слияния нескольких геометрических объектов в один.
  • Параметрическое задание геометрии.
  • Проверка на наличие малых геометрических объектов, сингулярности и многого другого с возможностью визуального контроля.
  • Инструменты измерения геометрических объектов: запрос объема, площади поверхности, длины линии и др. данных

Планарная топология платы в графическом редакторе Q3D Extractor экспортированная из ANSYS SIwave

В решателях ANSYS Q3D Extractor реализованы численные методы конечных элементов (FEA) и метод моментов (MOM). Соответственно, для решения используются два вида сеточных моделей с разбиением объёмов и разбиением поверхностей. В любом случае используется адаптивный сеточный генератор.

  • Адаптивный сеточный генератор с автоматическим контролем ошибки вычислений для каждого решателя.
  • Полностью автоматизированная процедура разбиения на тетраэдры твердых тел и поверхностей произвольной геометрии.
  • Сгущение сетки (двух и трехмерное) на уже имеющемся разбиении.
  • Перестроение сеточной модели в соответствие с вычисленными узловыми перемещениями
  • Наличие вспомогательных сеточных операций для контроля дискретизации модели.

Результат работы адаптивного сеточного генератора. Подобрана оптимальная плотность сеточной модели.

После завершения решения, возможно выводить и анализировать результаты расчёта в различном представлении:

  • Цветные контурные и векторные представления результатов расчета, эпюры, таблицы, графики
  • Представление результатов в виде изоповерхностей и изолиний в прозрачном теле
  • Построение сечений и разрезов и вывод результатов по ним
  • Интегральный калькулятор поля позволяет производить любые операции с векторным полем и скалярными величинами
  • Графический запрос результатов указанием мыши
  • Анимация в виде движущегося сечения с выводом в нем результатов в контурном или векторном виде
  • Построение графиков зависимостей переменных
  • Алгебраические и матричные операции над результатами
  • Операции над результатами вдоль произвольно задаваемого пути.
  • Вычисление матриц электрической емкости, индуктивности, реактивного и активного сопротивления
  • Создание 2D или 3D отчётов RLGC матриц.
  • Экспорт эквивалентных моделей различных форматов для симуляторов цепей.
  • Изменение амплитуды возбуждения без пересчёта задачи

Скалярное и векторное распределение полевой величины на топологии печатной платы.

ANSYS Q3D Extractor интегрирован в единую расчётную платформу ANSYS Workbench для более простого обмена данными при решении междисциплинарных задач. Результаты объёмного тепловыделения, полученные из моделирования растекания тока в ANSYS Q3D Extractor, могут использоваться, как исходные данные для задач сопряженного теплообмена. Обычно это актуально для моделей разъёмов, ошиновки и трасс питания печатных плат.

  • ANSYS Q3D Extractor – ANSYS Mechanical (Thermal, Transient Thermal) для решения электротермической задачи
  • ANSYS Q3D Extractor – ANSYS Fluent, ANSYS IcePak (IcePak AEDT в рамках Electronic Desktop) для решения электротермической задачи с учётом текучих сред

Электротермическая задача. Полигоны питания платы. Задача сопряженного теплообмена решается в классическом ANSYS IcePak.

ANSYS Optimetrics — универсальная дополнительная программа, которая добавляет к проекту параметрический, оптимизационный, статистический анализ и анализ чувствительности. Optimetrics доступен в интерфейсе ANSYS Q3D Extractor, как дополнительная опция в дереве проекта. Продукты для численного электромагнитного моделирования ANSYS HFSS, ANSYS Q3D Extractor и ANSYS Maxwell, а также модуль ANSYS RMxprt позволяют вводить в расчётные модели параметры, описывающие геометрические размеры, свойства материалов, возбуждение и граничные условия. ANSYS Optimetrics работает с перебором этих параметров, изменяя расчётную модель в рамках допустимых значений параметров и стремится к достижению требуемых целевых функций или других заданных величин: скалярные, векторные, интегральные и т.д.

Использовании этого дополнительного приложения совместно с ANSYS HFSS, ANSYS Maxwell, ANSYS RMxprt и ANSYS Q3D Extractor предоставляет весьма удобную, автоматизированную, надежную платформу проектирования, позволяющую инженеру лучше понять пространство проектных переменных и сделать обоснованный выбор параметров конструкции.

ANSYS Electronics HPC – дополнительные опции для высокопроизводительных вычислений (HPC) позволяют раскрыть весь доступный потенциал многоядерных, многопроцессорных вычислительных станций и решателей пакета ANSYS Electromagnetic Suite, таким образом обеспечивая максимальную скорость и точность решения. Опция распараллеливания ANSYS Electronics HPC значительно упрощает численное решение задач на сложных моделях, содержащих большое количество геометрических деталей, учитывая междисциплинарность физических процессов.

ANSYS Distribute Solve Option – опция распределённого решения ANSYS Distribute Solve Option (DSO) значительно ускоряет процесс решения параметрических и оптимизационных задач и является аналогом опции ANSYS HPC Parametric Pack. Увеличение производительности достигается за счёт одновременного решения множества комбинаций переменных вместо обычного последовательного перебора. ANSYS DSO поддерживается всеми программными модулями ANSYS Electromagnetics Suite.

Особенности ANSYS Q3D Extractor

Тонкие трехмерные проводники с большим соотношением сторон значительно снижают производительность сеточного генератора и вычислений в целом. ANSYS Q3D Extractor имеет возможность представлять тонкие трехмерные проводники в виде 2D граничного условия тонкого проводника (Thin Conductor Boundaries). 2D-лист может быть любой криволинейной поверхностью без ограничений, толщина определяется свойствами.

Двумерные электроды сенсорной панели. Используется треугольная сеточная модель.

Все модули ANSYS Electromagnetics Suite поддерживают VB/Java Script, IronPython. Возможность написания скриптов может значительно ускорить рутинные операции, а также позволяет разрабатывать специализированные приложения:

  • Cable Design Toolkits.

Специализированные макросы на IronPhyton для разработки кабелей и создания их эквивалентных моделей. Cable Toolkit обеспечивает интуитивно понятный и простой в использовании интерфейс для создания сечений моделей кабелей автомобильной и нефтегазовой промышленности. Для расчёта значений RLCG на единицу длины используется 2D Extractor Solver. Эквивалентные модели кабелей помогают прогнозировать электрические характеристики и потенциальные проблемы электромагнитных помех, возникающие в электрических и электронных изделиях.

Макросы Cable Design Toolkits

  • Transmission Line Toolkit

Набор инструментов обеспечивает интуитивно понятный и простой в использовании интерфейс. Упрощает создание параметризованных 2D-геометрических моделей для решения с помощью 2D Extractor FEM. Параметризованные модели обычно используются для создания табличных HSPICE W-элементов для использования в симуляторах схем или для определения характеристического импеданса геометрических моделей односторонних, дифференциальных или CPW-линий передач. Можно также анализировать влияние травления на линию передачи.

Макросы Transmission Line Toolkit

ANSYS Q3D Extractor с симулятором ANSYS Simplorer

Симулятор системного уровня ANSYS Simplorer позволяет устанавливать динамическую связь с моделями ANSYS Q3D Extractor. Модели могут быть двух типов: для одной частоты Q3D Equivalent Circuit и в диапазоне частот Q3D State Space. Любое изменение в модели Q3D автоматически отражается на подключенных эквивалентных моделях, что имеет решающее значение для комфортной работы в симуляторе.

Обычно такая интеграция используется для анализа электромагнитной совместимости EMI\EMC силовых электрических и электронных компонентов, так как позволяет моделировать реальную картину работы модели системного уровня во временной области. Паразитные параметры топологии кабелей, токонесущей ошиновки, печатных плат, модулей IGBT, коннекторов имеют значительное влияние на всплески напряжения и тока в цепи, перенапряжения, перекрестные помехи и шумы. Используя эквивалентные модели Q3D Extractor, пользователи исследуют влияние паразитных параметров на производительность схемы, что позволяет внести в него изменения для гарантированного результата.     

Эквивалентная модель паразитных параметров топологии упаковки IGBT используется в симуляторе системного уровня ANSYS Simplorer для оценки электромагнитной совместимости EMI\EMC.

ANSYS 2D Extractor с симулятором ANSYS Designer и ANSYS HFSS

Решение ANSYS Electronics Desktop для моделирования излучения кабельных систем и оценки электромагнитной обстановки вокруг них реализовано с использованием динамически связанных модулей ANSYS HFSS, 2D Extractor и Circuit.

Жгут кабелей анализируется в ANSYS HFSS как один источник внешнего поля, основанном на квазистатическом моделировании каждого поперечного сечения кабеля в 2D Extractor и анализе кабельной сети в Circuit. Величина и распределение полей вдоль каждой секции кабеля определяются напряжениями и токами на концах каждой секции, а затем с использованием модели линии передач применяется для распространения полей вдоль длины кабеля.

Внутренняя структура кабеля анализируется в 2D Extractor и используется в ANSYS HFSS для оценки электромагнитной обстановки в расчётной области.

  • Использование планировщиков и менеджера удалённых расчётов (RSM) для высокопроизводительных вычислений. Поддерживаются внешние планировщики: Windows HPC, LSF, SGE, Torque & PBS Pro
  • Высокопроизводительные вычисления с ANSYS Electronics HPC и ANSYS DSO:
    • Позволяет распределять решатели ACRL, DCRL и CG по потокам, ядрам, процессорам и вычислительным станциям
    • Позволяет распределять решатели CG трасс по потокам, ядрам, процессорам и вычислительным станциям
    • Позволяет распределять ACRL возбуждение по потокам, ядрам, процессорам и вычислительным станциям
    • Включает многопроцессорные вычисления решателей ACRL, DCRL и CG
  • Использование для вычислений всех доступных ядер вычислителя с единой физической памятью.
  • Позволяет распределять переменные параметрического и оптимизационного дизайна по потокам, ядрам, процессорам, вычислителям в локальной сети и на кластерных сборках. Распределенные расчёты активируются с ANSYS DSO.