완전한 전기 회로 시뮬레이션 수행하기

  • 2018-05-03
  • 글 | 앤시스코리아(www.ansys.com)




고속 전자 기기


인쇄 제조 공정 기술을 사용하여 집적 회로를 생산하기 시작한 이후부터 전자 기기의 자동 설계가 진화해 왔다. 레이아웃과 설계를 함께 검토할 수 있는 환경이 마련되자 신호의 속도가 증가하였고, 이에 따라 설계 엔지니어는 짧은 신호 상승 시간과 전송 선로 효과, 그리고 신호간섭(crosstalk)과 같은 신호 무결성 문제에 직면하게 되어 전자기 모델링이 필요해졌다. 오늘날과 같이 높은 패키징 밀도, 빠른 신호, 높은 주파수 환경에서 최적의 성능 달성하고 신뢰성을 확보하려면, 레이아웃 툴과 전자기분석 툴을 함께 사용해야 한다.

이제 회로 및 시스템 분석은 더 광범위한 전자기적(EM) 어셈블리 솔루션을 촉진하는 요소가 아니라 그 일부가 됐다. 회로의 과도 분석을 레이아웃 툴에서 바로 실행할 수 있으므로 전기 엔지니어가 IC 패키지와 PCB, 커69넥터, 케이블을 조합하여 가상의 디지털 전자 시스템을 설계하고, 적절한 기술을 활용하여 시스템 분석을 수행할 수 있다.

앤시스의 혁신: 어셈블리 모델링, 3D 부품 및 자동화

전기전자 엔지니어는 PCB와 IC 패키지, 부품의 모델을 연결하는 데 오랫동안 회로도 기반의 설계를 사용해 왔다. 이 방법은 비교적 단순한 설계에는 유용하지만 더 크고 복잡한 설계에서는 번거롭고, 오류가 발생하기 쉽다. 엔지니어가 단 하나의 노드 연결을 실수해도 시뮬레이션 결과가 크게 부정확해 진다.

레이아웃 기반의 어셈블리는 개별 부품의 실제 3D 모델을 조합하여 회로도를 생성할 필요가 없으므로 더 우수한 방법이다. 레이아웃 기반의 설계 환경은 기판에 부품을 배치하는 즉시 모든 전기적인 연결이 생성됨으로써 고급 3D 전자기 시뮬레이션이 가능한 모델을 제공한다. 이 방식은 시뮬레이션을 위한 형상 설정을 간소화함으로써 엔지니어가 레이아웃 환경에서 완전한 전기 회로 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 한다.

전기 기계 설계

ABB의 연구에 따르면 전기 모터는 전 세계 산업 전력 소비의 3분의 2를 차지하며, 이는 전 세계 총 전력 소비의 28%에 해당한다[1]. 전 세계에서 매년 24,000KWh에 가까운 전기 에너지를 소비한다는 사실을 고려하면 엄청난 양의 에너지이다[2]. 모터 효율을 1%만 향상시켜도 약 34,065리터(9,000갤런)의 연료를 소비하는 트럭 8,100만 대에 해당하는 연료를 절감할 수 있다. 8,100만 대는 바퀴 18개짜리 트럭을 일렬로 세웠을 때 지구를 반 바퀴 돌 수 있는 엄청난 양이다. 이러한 에너지 절감은 확실히 연구할 가치가 있다. 앤시스 시뮬레이션 소프트웨어는 전기 기계 설계자가 설계를 최적화하고 에너지 효율을 향상시키도록 도와준다.

RF와 무선

안테나는 우수한 무선 기기 성능을 위해 중요하며, IoT, 자율 주행과 같은 혁신을 달성하는 데 필요하다. 오늘날의 무선 기기는 다양한 무선 통신 서비스 및 MIMO(다중입출력, multiple input multiple output) 프로세싱을 위한 여러 개의 안테나를 탑재하고 있으며, 사무실, 가정 또는 자동차와 같이 크고 복잡한 전자 기기가 공존하는 환경에서도 정상적으로 작동해야 한다. 최신 앤시스 제품 혁신은 업계 선두의 기업들이 규모나 최종 응용 분야에 관계없이 신뢰할 수 있는 안테나를 설계할 수 있도록 지원하고 있다.



앤시스의 혁신: 안테나 통합 및 설치된 안테나 성능 검증


ANSYS HFSS 고주파 전자기장 소프트웨어를 이용하면 안테나 설계와 설정 그리고 분석을 간편하게 수행할 수 있다. ANSYS HFSS는 안테나 전문 지식이 없는 엔지니어를 포함한 모든 엔지니어가 안테나를 설계하고, 최적화하며, 시스템에 통합할 수 있게 도와준다. ANSYS HFSS SBR+는 HFSS를 위한 강력한 SBR(Shooting and Bouncing Ray) 전자기장 솔버 옵션으로, 전기적 대형 플랫폼에 탑재된 안테나의 성능 분석을 제공한다.

HFSS에서 설계한 개별 안테나를 이용하여 어레이 안테나를 구성하고 전기적 대형 플랫폼에 가상으로 배치한 후, HFSS SBR+를 사용하여 신속하게 분석할 수 있다. 이 강력한 조합은 설치 성능 분석 및 안테나 배치 최적화에 사용될 수 있다.



앤시스의 혁신: 종합적인 다중 물리 워크플로


ANSYS Maxwell 소프트웨어는 선형 병진 운동 및 회전 운동으로 인한 운동 유도 효과, 자기 이력 현상(hysteresis) 분석, 영구 자석의 소자(demagnetization) 및 기타 주요 전자기 기계 파라미터를 포함하여 기계의 정밀한 성능 계산을 수행함으로써 모터의 효율을 개선한다. 또한 Maxwell은 ANSYS Workbench 플랫폼을 통해 ANSYS Mechanical, ANSYS Fluent 또는 ANSYS Icepak과 동일한 CAD 데이터를 공유하고 이들 솔루션과 연동하여 응력, 열, CFD 및 음향 분석을 수행할 수 있다.

전기 기계의 효율에 영향을 미치는 광범위한 요소를 상세하게 분석하려면 이러한 다중 물리 분석 능력이 반드시 필요하다. 예를 들면 제품의 냉각 전략을 수립하기 위하여 제품의 온도 분포를 계산하려고 CFD 소프트웨어를 활용할 때 Maxwell에서 계산된 손실을 입력 값으로 활용할 수 있다.

또한, Maxwell에서 계산된 전자기력과 토크값을 ANSYS Mechanical의 입력값으로 사용하면 제품의 변형을 분석하고 나아가 잠재적 진동을 평가할 수 있다. 이와 같이 심층적인 다중 물리 분석은 앤시스 플랫폼의 독자적인 특징이며 기계 설비의 소비 전력을 대폭 절감할 수 있다.



앤시스의 혁신: RF Co-Site 예측


무선 장치의 수는 증가하는 데 비해 운영 스펙트럼은 그대로 유지되어, 통신 시스템이 서로 간섭하71거나 인접한 시스템의 성능을 저하시킬 가능성이 커졌다. 현재 ANSYS RF Option에는 RF Co-Site와 다중 무선 송신기 및 수신기의 EMI 간섭을 예측할 수 있는 업계 최고의 소프트웨어인 ANSYS EMIT가 포함되어 있다.

강력한 연결을 통하여 플랫폼과 안테나 커플링 관련한 정보가 HFSS로부터 EMIT로 자동 전송된다. EMIT가 제공하는 무선 회로 요소의 라이브러리와 거동 모델을 사용하여, 설계자는 신속하게 RF 시스템을 구성하고 실제 운영 환경에서의 시스템 성능을 확인할 수 있다. 여기에는 다른 무선 안테나의 간섭뿐 아니라 회로에서 발생하는 예상치 못한 간섭도 포함된다.

이 소프트웨어는 상호변조(intermodulation)와 같이 복잡한 문제를 진단하는 툴을 제공한다. 모든 간섭의 정확한 경로가 상호 작용 다이어그램에 표시되어 손쉽게 문제의 원인을 식별할 수 있다. 일단 문제의 원인이 식별되면 시뮬레이션을 통하여 제안된 문제 해결책의 효과를 검증할 수 있으며, 결과적으로 시나리오 매트릭스에 보여지는 것처럼, 간섭 없는 설계를 구현할 수 있다



앤시스의 혁신: 고성능 컴퓨팅


엔지니어링 시뮬레이션 분야에서 가장 두드러지는 발전 중 하나는 HPC(고성능 컴퓨팅, high-performance computing)이다. 기업은 이제 수십, 수백 내지는 수천 대의 컴퓨팅 노드를 사용하여 더 크고 더 많은 모델을 더욱 신속하고 정확하게 분석할 수 있다. 앤시스 소프트웨어는 단일 다중 코어 시스템에 최적화되고 클러스터를 완벽하게 활용하도록 확장할 수 있는 획기적인 수치 해석 솔버와 HPC 기술을 제공한다. 확장 가능한 클러스터를 사용하여 파라메트릭 분석을 수행하면 설계 탐색의 속도를 크게 향상시킬 수 있다.



다중 코어를 사용하여 모터의 설계 치수나 구동 전류, 토크 부하 등 여러 분석을 위한 매개변수에 대한 수많은 설계점을 동시에 평가하고 분석할 수 있다. 또한 ANSYS Maxwell의 새로운 시간 분해 분석법(TDM, time decomposition method)은 최신 컴퓨팅 클러스터의 장점을 최대한 활용한다. ANSYS Maxwell의 시간 분해 분석법(TDM)은 전기 모터나 평면 자석, 전력 변압기의 전체 과도 전자기장 시뮬레이션을 수행하는 데 필요한 컴퓨팅 용량과 속도를 지원한다.

따라서 엔지니어가 과도해석을 수행할 때 한번에 한 time step씩 순차적으로 분석을 수행하는 것이 아니라 네트워크로 연결된 컴퓨터 및 컴퓨팅 클러스터의 다중 코어로 분산시켜 모든 time step을 동시에 분석할 수 있다. 시간 분해 분석법(TDM)을 활용하면 설계 단계에서 완벽한 3D분석이 가능하며, 전기 기계에서 일반적으로 사용되는 권선 말단 효과나 분할 자석과 같이 세세한 부분까지 몇 시간 안에 탐색하고 검토할 수 있다. 이렇듯 시뮬레이션 역량과 속도가 크게 향상됨에 따라, 엔지니어는 개발 초기 단계에서 전력 소비를 줄이는 것과 같은 여러 설계 사양을 충족하기 위해 더 많은 옵션을 탐색할 수 있다.



미래


미래의 전자 제품 혁신은 광범위하게 이루어지고, 다양한 업종에 적용될 것이다. 이러한 혁신을 달성하려면 엔지니어가 필요한 모든 물리 및 시스템 효과를 적용하여 완전한 전기 및 전자 제품을 설계하고 시뮬레이션 할 수 있으며 복잡한 집적 회로의 세세한 부분부터 자동차와 같은 제품 전체가 포함된 플랫폼이 필요하다.

과거에는 시뮬레이션이 전문가만의 영역으로 인식되었으며 주로 설계 후 성능 검증 목적으로 사용됐다. 하지만 이제는 첨단 자동화 기능을 통해 제품 개발팀이 개발 프로세스 초기에 더 많은 시뮬레이션을 수행할 수 있게 되었으며, 설계 단계에서 다양한 설계 사양을 신속하게 평가하는데 사용될 것이다.

ANSYS 전자기 제품은 모터, 회로 기판 또는 안테나의 전자기 거동을 시뮬레이션할 뿐 아니라, 이를 실제 운영 환경에 가상의 방식으로 배치하여 다른 어레이 안테나와의 간섭까지 고려한 실제 성능을 확인할 수 있다. ANSYS의 제품은 혁신을 실현한다.

참고
[1] ABB, High-efficiency motors: "Haze Killers," 2017년 8월. abb.com
[2] Enerdata, Global Energy Statistical Yearbook 2017, 2017년 8월. yearbook.enerdata.net

 

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