Ako optimalizovať výkon obvodu a náklady na chladenie napájacieho zdroja

Keď sa zvýši teplo produktového systému, spotreba energie systému sa exponenciálne zvýši, takže pri návrhu energetického systému sa zvolí riešenie s vyšším prúdom, čo nevyhnutne povedie k zvýšeniu nákladov. V určitom bode náklady rastú exponenciálne. Dovoľte mi podeliť sa s vami o článok o návrhu a simulácii chladenia napájacieho zdroja.

Tepelná simulácia je dôležitou súčasťou vývoja energetických produktov a poskytovania pokynov pre materiály produktov. Optimalizácia tvarového faktora modulu je vývojovým trendom v dizajne koncových zariadení, ktorý prináša problém prechodu z kovových chladičov na tepelný manažment medenej vrstvy DPS. Niektoré dnešné moduly používajú nižšie spínacie frekvencie pre spínané zdroje a veľké pasívne komponenty. Lineárne regulátory sú menej účinné pre prenos napätia a pokojové prúdy, ktoré poháňajú vnútorné obvody.

Keďže návrhy zariadení sú bohatšie na funkcie, zvyšujú výkon a sú kompaktnejšie, tepelná simulácia na úrovni IC a na úrovni systému sa stáva kritickou.

Niektoré aplikácie fungujú pri okolitých teplotách 70 až 125 stupňov a niektoré automobilové aplikácie môžu dosiahnuť teploty až 140 stupňov, kde je dôležitá neprerušovaná prevádzka systému. Presná tepelná analýza prechodných a statických najhorších prípadov pre oba typy aplikácií sa stáva čoraz dôležitejšou pri optimalizácii elektronických návrhov.

Tepelný manažment

Výzvou tepelného manažmentu je zmenšiť veľkosť balenia a zároveň dosiahnuť vyšší tepelný výkon, vyššiu prevádzkovú teplotu okolia a nižší rozpočet na medené tepelné vrstvy. Vysoká účinnosť balenia bude mať za následok vysokú koncentráciu komponentov generujúcich teplo, čo má za následok extrémne vysoké tepelné toky na úrovni IC a balenia.

Faktory, ktoré je potrebné zvážiť v systéme, zahŕňajú niektoré ďalšie napájacie zariadenia dosky s plošnými spojmi, ktoré môžu ovplyvniť teplotu analytického zariadenia, priestor v systéme a dizajn/obmedzenia prúdenia vzduchu. Pri tepelnom manažmente je potrebné zvážiť tri faktory: balík, doska a systém

Nízka cena, malý tvarový faktor, integrácia modulov a spoľahlivosť balíka sú niekoľko aspektov, ktoré je potrebné zvážiť pri výbere balíka. Keďže cena sa stáva kľúčovým hľadiskom, získavajú na popularite tepelne vylepšené balíčky založené na leadframe. Tento balík obsahuje zabudovaný chladič alebo odkrytú podložku a balíky typu rozvádzača tepla, ktoré sú navrhnuté na zlepšenie tepelného výkonu. V niektorých obaloch na povrchovú montáž majú špeciálne olovené rámy niekoľko vodičov pritavených na každú stranu obalu, aby fungovali ako rozvádzače tepla. Tento prístup poskytuje lepšiu cestu odvádzania tepla na prenos tepla z matrice.

IC a tepelná simulácia balíka

Tepelná analýza vyžaduje podrobné a presné modely výrobkov z kremíkovej formy a tepelné vlastnosti krytu. Dodávatelia polovodičov poskytujú kremíkové IC tepelné mechanické vlastnosti a balenie, zatiaľ čo výrobcovia zariadení poskytujú informácie o materiáloch modulov. Používatelia produktu poskytujú informácie o prostredí používania.

Táto analýza pomáha návrhárom integrovaných obvodov optimalizovať rozmery výkonu FET pre najhorší prípad straty výkonu v prechodných a pokojových režimoch prevádzky. V mnohých integrovaných obvodoch výkonovej elektroniky zaberajú výkonové FET značnú časť plochy matrice. Tepelná analýza pomáha dizajnérom optimalizovať ich návrhy.

Vybrané balenie typicky odhaľuje časť kovu, aby sa zabezpečila cesta s nízkou tepelnou impedanciou od kremíkovej matrice k chladiču. Kľúčové parametre požadované modelom sú nasledovné:

Pomer rozmerov kremíkovej matrice a hrúbka matrice.

Oblasť a umiestnenie napájacieho zariadenia a všetky pomocné obvody ovládača, ktoré generujú teplo.

Hrúbka výkonovej štruktúry (disperzia vo vnútri kremíkového čipu).

Oblasť a hrúbka spojenia matrice, kde je kremíková matrica pripojená k exponovaným kovovým podložkám alebo kovovým hrbolčekom. Môže zahŕňať percento vzduchovej medzery materiálu na pripevnenie matrice.

Plocha a hrúbka odkrytej kovovej podložky alebo kovového hrbolčeka.

Veľkosť balenia s použitím formovacieho materiálu a spojovacích vodičov.

Pre každý materiál použitý v modeli sa vyžadujú vlastnosti tepelnej vodivosti. Tento vstup údajov zahŕňa aj teplotne závislé zmeny vo všetkých vlastnostiach prenosu tepla vrátane:

Tepelná vodivosť kremíkového čipu

Tepelná vodivosť matrice, formovacieho materiálu

Tepelná vodivosť pri spojení kovových podložiek alebo kovových hrbolčekov.

Typ obalu (packageproduct) a interakcia PCB

Rozhodujúcim parametrom pre tepelnú simuláciu je určenie tepelného odporu medzi podložkou a materiálom chladiča, ktorý možno určiť nasledujúcimi spôsobmi:

Viacvrstvové dosky FR4 (bežné sú štvor a šesťvrstvové dosky)

doska plošných spojov s jedným koncom

Horné a spodné dosky

Cesty tepelného odporu a tepelného odporu sa líšia podľa implementácie:

Pripojte sa k tepelným podložkám na vnútornom paneli chladiča alebo k tepelným priechodkám na hrbolčekoch. Na pripojenie odkrytých tepelných podložiek alebo nárazových spojov k hornej vrstve dosky plošných spojov použite spájku.

Otvor v doske plošných spojov pod odkrytou tepelnou podložkou alebo hrbolčekom, ktorý možno pripojiť k základni vyčnievajúceho chladiča, ktorý je pripevnený ku kovovému krytu modulu.

Pomocou kovových skrutiek pripevnite chladič k chladiču na hornej alebo spodnej medenej vrstve dosky plošných spojov kovového puzdra. Na pripojenie odkrytej tepelnej podložky alebo nárazového spojenia k hornej vrstve dosky plošných spojov použite spájku.

Tiež je kritická hmotnosť alebo hrúbka medeného povlaku použitého na každej vrstve PCB. Pri analýze tepelného odporu sú vrstvy spojené s odkrytou podložkou alebo hrbolčekom priamo ovplyvnené týmto parametrom. Vo všeobecnosti ide o vrchnú vrstvu, chladič a spodnú vrstvu viacvrstvovej dosky s plošnými spojmi.

Vo väčšine aplikácií to môže byť vonkajšia vrstva dvoch uncí medi (2 unce medi=2,8 mils alebo 71 µm) a 1 unca medi (1 unca medi=1,4 mils alebo 35 µm) vnútorná vrstva, alebo všetky Obe sú 1 oz medené vrstvy. V aplikáciách spotrebnej elektroniky niektorí dokonca používajú vrstvy {{10}},5 oz medi (0,5 oz medi=0,7 mils alebo 18 µm).

Údaje modelu

Simulácia teploty matrice vyžaduje pôdorys integrovaného obvodu, ktorý zahŕňa všetky výkonové FET na matrici a ich skutočné umiestnenie, aby boli v súlade s pokynmi na spájkovanie obalu.

Veľkosť a pomer strán každého FET je dôležitý pre distribúciu tepla. Ďalším dôležitým faktorom, ktorý treba zvážiť, je, či sú FET napájané súčasne alebo postupne. Presnosť modelu závisí od fyzikálnych údajov a použitých materiálových vlastností.

Statická alebo priemerná analýza výkonu modelu vyžaduje krátky výpočtový čas a ku konvergencii dochádza, keď je zaznamenaná najvyššia teplota.

Analýza prechodných javov vyžaduje údaje o výkone a čase. Údaje sme zaznamenali pomocou kroku s lepším rozlíšením ako puzdro spínaného zdroja, aby sme presne zachytili vrcholový nárast teploty počas rýchlych impulzov napájania. Táto analýza je zvyčajne časovo náročná a vyžaduje viac údajov ako statické simulácie výkonu.

Tento model simuluje epoxidové dutiny v oblasti pripojenia matrice alebo pokovované dutiny v chladiči PCB. V oboch prípadoch môžu medzery v epoxide/pokovovaní ovplyvniť tepelnú odolnosť obalu

Tepelná simulácia je dôležitou súčasťou vývoja energetických produktov. Okrem toho vás prevedie nastavením parametrov tepelného odporu od FET prechodu kremíkového čipu až po implementáciu rôznych materiálov do produktu. Keď pochopíte rôzne cesty tepelného odporu, mnohé systémy možno optimalizovať pre všetky aplikácie.

Sinda Thermal je profesionálny tepelný expert, môžeme poskytnúť optimalizovaný tepelný dizajn pre našich zákazníkov a ponúknuť najkonkurencieschopnejšiu cenu a skvelé chladiče pre globálnych zákazníkov. Ak máte akékoľvek tepelné požiadavky, neváhajte nás kontaktovať.