Як оптимізувати продуктивність схеми та витрати на охолодження джерела живлення
При збільшенні тепла продукту системи споживання електроенергії буде зростати експоненціально, тому при проектуванні системи живлення буде обрано рішення з більшим струмом, що неминуче призведе до збільшення вартості. У певний момент вартість зростає в геометричній прогресії. Дозвольте мені поділитися з вами статтею про проектування та моделювання системи охолодження джерела живлення.
Теплове моделювання є важливою частиною розробки енергетичних продуктів і надання вказівок щодо матеріалів продукту. Оптимізація форм-фактора модуля є тенденцією розвитку в дизайні кінцевого обладнання, яка породжує проблему переходу від металевих радіаторів до управління температурою мідного шару друкованої плати. Деякі з сучасних модулів використовують нижчі частоти перемикання для імпульсних джерел живлення та великих пасивних компонентів. Лінійні регулятори менш ефективні для трансляції напруги та струмів спокою, які керують внутрішніми ланцюгами.
Оскільки конструкції пристроїв стають більш багатими на функції, покращують продуктивність, а конструкції пристроїв стають більш компактними, теплове моделювання на рівні IC та системного рівня стає критичним.
Деякі додатки працюють при температурах навколишнього середовища від 70 до 125 градусів, а деякі автомобільні додатки можуть досягати температури до 140 градусів, де важлива безперебійна робота системи. Точний перехідний і статичний найгірший термічний аналіз для обох типів застосувань стає все більш важливим при оптимізації електронних конструкцій.
Теплове управління
Завдання управління температурою полягає в тому, щоб зменшити розмір упаковки при досягненні вищих теплових характеристик, вищої робочої температури навколишнього середовища та меншого бюджету для мідних теплових шарів. Висока ефективність упаковки призведе до високої концентрації теплогенеруючих компонентів, що призведе до надзвичайно високих теплових потоків на рівні IC та упаковки.
Фактори, які слід враховувати в системі, включають деякі інші пристрої живлення на друкованих платах, які можуть впливати на температуру пристрою аналізу, простір системи та дизайн/обмеження повітряного потоку. Є три чинники, які слід враховувати при нагріванні: пакет, плата та система
Низька вартість, малий форм-фактор, інтеграція модулів і надійність упаковки – це кілька аспектів, які слід враховувати при виборі упаковки. Оскільки вартість стає ключовим фактором, набирають популярності пакети з тепловим покращенням на основі свинцевої рами. Цей пакет містить вбудований радіатор або відкриті блоки з теплорозсіювачами, призначені для покращення теплових характеристик. У деяких пакетах для поверхневого монтажу спеціальні рамки з проводами мають кілька проводів, з’єднаних з кожною стороною пакета, щоб діяти як розподільники тепла. Цей підхід забезпечує кращий шлях розсіювання тепла для передачі тепла від матриці.
Теплове моделювання IC та упаковки
Термічний аналіз вимагає детальних і точних моделей продукту з кремнієвих матриць і теплових властивостей корпусу. Постачальники напівпровідників надають термомеханічні властивості та упаковку кремнієвих мікросхем, а виробники обладнання надають інформацію про матеріали модулів. Користувачі продукту надають інформацію про середовище використання.
Цей аналіз допомагає розробникам мікросхем оптимізувати розміри силових польових транзисторів для найгіршого сценарію розсіювання потужності в перехідних режимах і режимах спокою. У багатьох мікросхемах силової електроніки силові польові транзистори займають значну частину площі матриці. Термічний аналіз допомагає дизайнерам оптимізувати свої проекти.
Вибраний пакет зазвичай оголює частину металу, щоб забезпечити шлях із низьким тепловим опором від кремнієвого кристала до радіатора. Ключові параметри, необхідні для моделі, такі:
Співвідношення розмірів кремнієвої матриці та товщина матриці.
Область і розташування силового пристрою, а також будь-які допоміжні схеми драйверів, які генерують тепло.
Товщина енергетичної структури (дисперсія в кремнієвому чіпі).
Область з’єднання матриці та товщина, де кремнієва матриця з’єднана з відкритими металевими прокладками або металевими виступами. Може включати відсоток повітряного зазору матеріалу для кріплення матриці.
Площа та товщина відкритої металевої прокладки або металевого з’єднання.
Розмір упаковки з використанням формовочного матеріалу та з’єднувальних проводів.
Необхідні властивості теплопровідності для кожного матеріалу, який використовується в моделі. Ці вхідні дані також включають залежні від температури зміни всіх властивостей теплопередачі, включаючи:
Теплопровідність кремнієвого чіпа
Теплопровідність штампа, формувального матеріалу
Теплопровідність при з'єднанні металевих колодок або металевих виступів.
Тип упаковки (packageproduct) і взаємодія PCB
Вирішальним параметром для теплового моделювання є визначення теплового опору від прокладки до матеріалу радіатора, який можна визначити такими способами:
Багатошарові плати FR4 (поширені чотири- та шестишарові плати)
однотактова друкована плата
Верхня і нижня дошки
Шляхи термічного та термічного опору відрізняються залежно від реалізації:
Підключіться до теплових прокладок на внутрішній панелі радіатора або теплових отворів у нерівних з’єднаннях. Використовуйте припій, щоб з’єднати відкриті термічні прокладки або виступаючі з’єднання до верхнього шару друкованої плати.
Отвір у друкованій платі під відкритою термопрокладкою або виступаючим з’єднанням, яке можна з’єднати з основою виступаючого радіатора, прикріпленого до металевого корпусу модуля.
За допомогою металевих гвинтів прикріпіть радіатор до радіатора на верхньому або нижньому мідному шарі друкованої плати металевого корпусу. Використовуйте припій, щоб з’єднати відкриту термопрокладку або з’єднання з виступом до верхнього шару друкованої плати.
Крім того, вага або товщина мідного покриття, яке використовується на кожному шарі друкованої плати, має вирішальне значення. Для аналізу теплового опору цей параметр безпосередньо впливає на шари, з’єднані з відкритими з’єднаннями колодок або виступів. Загалом, це верхній, радіаторний і нижній шари багатошарової друкованої плати.
У більшості застосувань це може бути зовнішній шар 2 унції міді (2 унції міді=2.8 mils або 71 мкм) і 1 унція міді (1 унція міді=1.4 mils або 35 мкм) внутрішній шар або всі обидва шари міді по 1 унції. У побутовій електроніці деякі навіть використовують шари міді {{1{0}}.5 унцій (0.5 унцій міді=0.7 mils або 18 мкм).
Дані моделі
Для імітації температури матриці потрібен план поверху мікросхеми, який містить усі силові польові транзистори на матриці та їхнє фактичне розташування відповідно до вказівок щодо паяння пакетів.
Розмір і співвідношення сторін кожного польового транзистора важливі для розподілу тепла. Ще один важливий фактор, який слід враховувати, це те, чи живляться польові транзистори одночасно чи послідовно. Точність моделі залежить від фізичних даних і властивостей матеріалу, що використовується.
Аналіз статичної або середньої потужності моделі потребує короткого часу обчислення, а збіжність відбувається після реєстрації найвищої температури.
Для аналізу перехідних процесів потрібні дані про залежність потужності від часу. Ми записали дані з кращим кроком роздільної здатності, ніж у випадку імпульсного джерела живлення, щоб точно вловити пікове підвищення температури під час швидких імпульсів живлення. Цей аналіз зазвичай займає багато часу та потребує введення більшої кількості даних, ніж статичне моделювання потужності.
Ця модель імітує епоксидні порожнечі в зоні кріплення матриці або порожнечі покриття в радіаторі друкованої плати. В обох випадках порожнечі епоксидної смоли/покриття можуть вплинути на термостійкість упаковки
Теплове моделювання є важливою частиною розробки енергетичних продуктів. Крім того, він проведе вас через налаштування параметрів термічного опору, від FET-переходу кремнієвого чіпа до використання різних матеріалів у виробі. Після розуміння різних шляхів теплового опору багато систем можна оптимізувати для всіх застосувань.
Sinda Thermal є професійним експертом з питань теплопостачання, ми можемо забезпечити оптимізовану систему теплопостачання для наших клієнтів і запропонувати найбільш конкурентоспроможну ціну та чудову якість радіаторів для клієнтів у всьому світі. Якщо у вас є якісь вимоги до тепла, зв’яжіться з нами.
