Refrigeració de la font d'alimentació per optimitzar el rendiment i el cost de l'energia
Quan augmenta la calor del sistema del producte, el consum d'energia del sistema augmentarà exponencialment. D'aquesta manera, a l'hora de dissenyar el sistema d'alimentació, es seleccionarà una solució amb un corrent més gran, i això comportarà inevitablement un augment del cost. Fins a cert punt, el cost augmentarà exponencialment.
La simulació tèrmica és una part important del desenvolupament de productes d'energia i de les directrius del material del producte. L'optimització de la mida del mòdul és la tendència de desenvolupament del disseny d'equips terminals, que provoca la conversió de la gestió de la dissipació de calor del dissipador de calor metàl·lic a la capa de coure de PCB. Alguns mòduls actuals utilitzen freqüències de commutació més baixes per a fonts d'alimentació en mode de commutació i components passius grans. Per a la conversió de tensió i el corrent quiesc que condueix el circuit intern, l'eficiència del regulador lineal és relativament baixa.
A mesura que les funcions són més abundants, el rendiment és cada cop més alt i el disseny del dispositiu es fa cada cop més compacte. En aquest moment, la simulació de dissipació de calor a nivell d'IC i de sistema esdevé molt important.
La temperatura de l'entorn de treball d'algunes aplicacions és de 70 a 125 °C, i la temperatura d'algunes aplicacions d'automoció de mida de matriu és fins i tot de 140 °C. Per a aquestes aplicacions, el funcionament ininterromput del sistema és molt important. Quan s'optimitzen els dissenys electrònics, l'anàlisi tèrmica precisa en els pitjors escenaris transitoris i estàtics per als dos tipus d'aplicacions anteriors és cada cop més important.
1. Gestió tèrmica
La dificultat de la gestió de la dissipació de calor és reduir la mida del paquet alhora que s'aconsegueix un major rendiment de dissipació de calor, una temperatura més alta de l'entorn de treball i un pressupost més baix de la capa de dissipació de calor de coure. L'alta eficiència d'envasament donarà lloc a una major concentració de components generadors de calor, donant lloc a fluxos de calor extremadament alts a nivell d'IC i nivell de paquet.
Els factors que cal tenir en compte al sistema inclouen altres dispositius d'alimentació de la placa de circuit imprès que poden afectar la temperatura del dispositiu d'anàlisi, l'espai del sistema i el disseny/restriccions del flux d'aire. Els tres nivells de gestió tèrmica a considerar són: paquet, placa de circuit i sistema
Camí de transferència de calor típic en paquet IC
El baix cost, el factor de forma petit, la integració de mòduls i la fiabilitat del paquet són diversos aspectes que cal tenir en compte a l'hora d'escollir un paquet. A mesura que el cost esdevé una consideració clau, els paquets de millora de la dissipació de calor basats en marcs de plom són cada cop més populars.
Aquest tipus de paquet inclou un dissipador de calor incrustat o un coixinet exposat i un paquet tipus xip de remull, dissenyat per millorar el rendiment de la dissipació de la calor. En alguns paquets de muntatge superficial, alguns marcs de plom dedicats solden diversos cables a cada costat del paquet per funcionar com a dispersor de calor. Aquest mètode proporciona un millor camí de dissipació de calor per a la transferència de calor de la matriu.
2. IC i simulació de dissipació de calor del paquet
L'anàlisi tèrmica requereix models de productes de xip de silici detallats i precisos i propietats tèrmiques de l'habitatge. Els proveïdors de semiconductors proporcionen propietats mecàniques i embalatge de dissipació de calor IC de xip de silici, mentre que els fabricants d'equips proporcionen informació sobre els materials dels mòduls. Els usuaris del producte proporcionen informació sobre l'entorn d'ús.
Aquesta anàlisi ajuda els dissenyadors d'IC a optimitzar la mida del FET de potència per al consum d'energia en el pitjor dels casos en els modes de funcionament transitori i estàtic. En molts circuits integrats electrònics de potència, el FET de potència ocupa una part considerable de l'àrea de matriu. L'anàlisi tèrmica ajuda els dissenyadors a optimitzar els seus dissenys.
El paquet seleccionat generalment exposa part del metall per proporcionar un camí d'impedància de baixa dissipació de calor des del xip de silici fins al dissipador de calor. Els paràmetres clau requerits pel model són els següents:
Relació d'aspecte de mida de xip de silici i gruix de xip.
L'àrea i la ubicació del dispositiu d'alimentació, i els circuits d'accionament auxiliars que generin calor.
El gruix de l'estructura de la font d'alimentació (la dispersió al xip de silici).
L'àrea i el gruix de la connexió de la matriu on el xip de silici està connectat als coixinets metàl·lics exposats o als cops metàl·lics. Pot incloure el percentatge de l'entrefer del material de connexió de la matriu.
L'àrea i el gruix de la unió de coixinets metàl·lics exposats o cops metàl·lics.
Utilitzeu el material del motlle i la mida del paquet del cable de connexió.
S'han de proporcionar les propietats de conductivitat tèrmica de cada material utilitzat en el model. Aquesta entrada de dades també inclou els canvis que depenen de la temperatura en totes les propietats de conducció de calor, que inclouen específicament:
Conductivitat tèrmica del xip de silici
Connexió de matriu, conductivitat tèrmica del material del motlle
Conductivitat tèrmica a la unió de coixinets metàl·lics o cops metàl·lics.
Interacció entre el producte de l'envàs i el PCB
Un dels paràmetres més importants de la simulació de dissipació de calor és determinar la resistència tèrmica del coixinet al material del dissipador de calor. Els mètodes per determinar la resistència tèrmica són els següents:
Placa de circuit FR4 multicapa (són les plaques de circuit de quatre capes i sis capes)
Placa de circuit d'un sol extrem
Plaques de circuit superior i inferior
Els camins de dissipació de calor i resistència tèrmica varien segons els diferents mètodes d'implementació:
Connecteu-vos al coixinet de dissipació de calor del panell del dissipador de calor intern o al forat de dissipació de calor a la unió de la protuberància. Utilitzeu soldadura per connectar el coixinet tèrmic exposat o la connexió de cops a la capa superior de la PCB.
Una obertura a la PCB a sota del coixinet tèrmic exposat o la connexió de cops, que es pot connectar a la base del dissipador de calor estesa connectada a la carcassa metàl·lica del mòdul'.
Utilitzeu cargols metàl·lics per connectar el dissipador de calor al dissipador de calor a la capa de coure superior o inferior de la PCB de la carcassa metàl·lica. Utilitzeu soldadura per connectar el coixinet tèrmic exposat o la connexió de cops a la capa superior de la PCB.
A més, el pes o el gruix del revestiment de coure utilitzat a cada capa del PCB és molt crític. Pel que fa a l'anàlisi de la resistència tèrmica, les capes connectades als coixinets o cops exposats es veuen directament afectades per aquest paràmetre. En termes generals, aquestes són les capes superior, dissipador de calor i inferior en una placa de circuit imprès multicapa.
En la majoria de les aplicacions, pot ser una capa exterior de coure de dues unces (2 unces de coure=2,8 mils o 71 µm) i una capa interior de coure d'1 unça (1 unça de coure=1,4 mils o 35 µm), o totes són 1 unça de capa gruixuda de coure. En aplicacions d'electrònica de consum, algunes aplicacions fins i tot utilitzen una capa de 0,5 unces de coure (0,5 unces de coure=0,7 mils o 18 µm).
