Com optimitzar el rendiment del circuit i el cost de la refrigeració de la font d'alimentació
Quan augmenta la calor del sistema del producte, el consum d'energia del sistema augmentarà de manera exponencial, de manera que en dissenyar el sistema d'alimentació, es seleccionarà una solució amb un corrent més alt, que inevitablement comportarà un augment del cost. En un moment determinat, el cost augmenta exponencialment. Permeteu-me compartir amb vosaltres un article sobre disseny i simulació de refrigeració de la font d'alimentació.
La simulació tèrmica és una part important del desenvolupament de productes energètics i de proporcionar directrius per als materials del producte. L'optimització del factor de forma del mòdul és una tendència de desenvolupament en el disseny d'equips terminals, que comporta el problema de canviar dels dissipadors de calor metàl·lics a la gestió tèrmica de la capa de coure de PCB. Alguns dels mòduls actuals utilitzen freqüències de commutació més baixes per a fonts d'alimentació en mode de commutació i components passius grans. Els reguladors lineals són menys eficients per a la translació de tensió i els corrents quiescs que condueixen els circuits interns.
A mesura que els dissenys de dispositius es tornen més rics en funcions, milloren el rendiment i els dissenys de dispositius es fan més compactes, la simulació tèrmica a nivell d'IC i de sistema esdevé crítica.
Algunes aplicacions funcionen a temperatures ambientals de 70 a 125 graus, i algunes aplicacions d'automoció de mida de matriu poden arribar a temperatures de fins a 140 graus, on és important el funcionament ininterromput del sistema. L'anàlisi tèrmica precisa del pitjor dels casos transitoris i estàtics per a ambdós tipus d'aplicacions és cada cop més important a l'hora d'optimitzar els dissenys electrònics.
Gestió tèrmica
El repte de la gestió tèrmica és reduir la mida de l'envàs alhora que s'aconsegueix un rendiment tèrmic més elevat, una temperatura ambient de funcionament més alta i un pressupost inferior per a les capes tèrmiques de coure. L'alta eficiència d'envasament donarà lloc a una alta concentració de components generadors de calor, donant lloc a fluxos de calor extremadament alts a nivells d'IC i paquets.
Els factors que cal tenir en compte al sistema inclouen alguns 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/limitació del flux d'aire. Hi ha tres factors a tenir en compte en la gestió tèrmica: paquet, placa i sistema
El baix cost, el factor de forma petit, la integració de mòduls i la fiabilitat del paquet són alguns dels aspectes que cal tenir en compte a l'hora de triar un paquet. A mesura que el cost es converteix en una consideració clau, els paquets millorats tèrmicament basats en leadframe estan guanyant popularitat. Aquest paquet inclou un dissipador de calor incrustat o un coixinet exposat i paquets de tipus difusor de calor dissenyats per millorar el rendiment tèrmic. En alguns paquets de muntatge superficial, els marcs especials de plom tenen diversos cables fusionats a cada costat del paquet per actuar com a dispersors de calor. Aquest enfocament proporciona un millor camí de dissipació de calor per a la transferència de calor des de la matriu.
IC i simulació tèrmica de paquets
L'anàlisi tèrmica requereix models de productes de matriu de silici detallats i precisos i propietats tèrmiques del tancament. Els proveïdors de semiconductors proporcionen propietats i embalatges tèrmics i mecànics de silici IC, 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 de circuits integrats a optimitzar les dimensions del FET de potència per a la dissipació de potència en el pitjor dels casos en els modes de funcionament transitori i quiesc. En molts circuits integrats d'electrònica de potència, els FET de potència ocupen una part important de l'àrea de matriu. L'anàlisi tèrmica ajuda els dissenyadors a optimitzar els seus dissenys.
El paquet escollit normalment exposa part del metall per proporcionar un camí d'impedància tèrmica baixa des de la matriu de silici fins al dissipador de calor. Els paràmetres clau requerits pel model són els següents:
Relació d'aspecte de la mida de la matriu de silici i el gruix de la matriu.
Àrea i ubicació del dispositiu d'alimentació, i qualsevol circuit auxiliar del controlador que generi calor.
Gruix de l'estructura de potència (dispersió dins del xip de silici).
L'àrea de connexió de la matriu i el gruix on la matriu de silici està connectada a coixinets metàl·lics exposats o cops metàl·lics. Pot incloure un percentatge d'espai d'aire del material d'unió de matriu.
L'àrea i el gruix del coixinet metàl·lic exposat o la connexió de cop de metall.
Mida del paquet utilitzant material d'emmotllament i cables de connexió.
Es requereixen les propietats de conductivitat tèrmica per a cada material utilitzat en el model. Aquesta entrada de dades també inclou els canvis que depenen de la temperatura en totes les propietats de transferència de calor, com ara:
Conductivitat tèrmica del xip de silici
Conductivitat tèrmica del material d'emmotllament de la matriu
Conductivitat tèrmica a la connexió de coixinets metàl·lics o cops metàl·lics.
Tipus de paquet (producte paquet) i interacció amb PCB
Un paràmetre crucial per a la simulació tèrmica és determinar la resistència tèrmica del coixinet al material del dissipador de calor, que es pot determinar de les maneres següents:
Taulers FR4 multicapa (són habituals els taulers de quatre i sis capes)
placa de circuit d'un sol extrem
Taulers superior i inferior
Els camins de resistència tèrmica i tèrmica varien segons la implementació:
Connecteu-vos als coixinets tèrmics del panell del dissipador de calor intern o als conductes tèrmics a les connexions de cop. Utilitzeu soldadura per connectar coixinets tèrmics exposats o connexions de cop 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 que sobresurt que està connectat 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 caixa metàl·lica. Utilitzeu soldadura per connectar el coixinet tèrmic exposat o la connexió de cop 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 crític. Per a l'anàlisi de la resistència tèrmica, les capes connectades a coixinets exposats o connexions de cops es veuen directament afectades per aquest paràmetre. En termes generals, es tracta de les capes superior, dissipador de calor i inferior d'una placa de circuit imprès multicapa.
En la majoria d'aplicacions, aquesta pot ser una capa exterior de coure de dues unces (2 unces de coure=2,8 mils o 71 µm) i una capa exterior d'1 unça de coure (1 unça de coure=1,4 mils o 35 µm) capa interna, o totes Les dues són capes de coure d'1 oz. En aplicacions d'electrònica de consum, algunes fins i tot utilitzen capes de {{10}},5 oz de coure (0,5 oz de coure=0,7 mils o 18 µm).
Dades del model
La simulació de la temperatura de la matriu requereix un pla d'IC que inclogui tots els FET de potència de la matriu i les seves ubicacions reals per complir amb les directrius de soldadura del paquet.
La mida i la relació d'aspecte de cada FET són importants per a la distribució tèrmica. Un altre factor important a tenir en compte és si els FET s'encenen simultàniament o seqüencialment. La precisió del model depèn de les dades físiques i les propietats del material utilitzats.
L'anàlisi de potència estàtica o mitjana del model requereix un temps de càlcul curt i la convergència es produeix un cop es registra la temperatura més alta.
L'anàlisi de transitori requereix dades de potència en funció del temps. Vam registrar les dades amb un pas de millor resolució que el cas de la font d'alimentació de commutació per capturar amb precisió l'augment de temperatura màxima durant els polsos de potència ràpids. Aquesta anàlisi sol consumir temps i requereix més entrada de dades que les simulacions de potència estàtica.
Aquest model simula buits epoxi a la zona d'adhesió de la matriu o buits de revestiment en un dissipador de calor de PCB. En ambdós casos, els buits de revestiment epoxi poden afectar la resistència tèrmica del paquet
La simulació tèrmica és una part important del desenvolupament de productes d'energia. A més, us guia a través de la configuració dels paràmetres de resistència tèrmica, des de la unió FET del xip de silici fins a la implementació de diversos materials al producte. Un cop entesos els diferents camins de resistència tèrmica, molts sistemes es poden optimitzar per a totes les aplicacions.
Sinda Thermal és un expert tèrmic professional, podem oferir el disseny tèrmic optimitzat per als nostres clients i oferir el preu més competitiu i els dissipadors de calor de gran qualitat per als clients globals. Si teniu algun requisit tèrmic, no dubteu a contactar amb nosaltres.
