Jak optimalizovat výkon obvodu a náklady na chlazení napájecího zdroje

Když se zvýší teplo produktového systému, spotřeba energie systému poroste exponenciálně, takže při návrhu energetického systému bude zvoleno řešení s vyšším proudem, což nevyhnutelně povede ke zvýšení nákladů. V určitém okamžiku náklady exponenciálně rostou. Dovolte mi, abych se s vámi podělil o článek o návrhu a simulaci chlazení napájecího zdroje.

Tepelná simulace je důležitou součástí vývoje energetických produktů a poskytování pokynů pro materiály produktů. Optimalizace tvarového faktoru modulu je vývojovým trendem v návrhu koncových zařízení, který přináší problém přechodu z kovových chladičů na tepelný management měděné vrstvy DPS. Některé dnešní moduly používají nižší spínací frekvence pro spínané zdroje a velké pasivní součástky. Lineární regulátory jsou méně účinné pro přenos napětí a klidové proudy, které řídí vnitřní obvody.

Jak se návrhy zařízení stávají bohatšími na funkce, zvyšují výkon a jsou kompaktnější, stává se kritická tepelná simulace na úrovni IC a na úrovni systému.

Některé aplikace fungují při okolní teplotě 70 až 125 stupňů a některé aplikace v automobilovém průmyslu mohou dosáhnout teplot až 140 stupňů, kde je důležitý nepřerušovaný provoz systému. Přesná tepelná analýza přechodových a statických nejhorších případů pro oba typy aplikací je stále důležitější při optimalizaci elektronických návrhů.

Tepelný management

Úkolem tepelného managementu je zmenšit velikost balení a zároveň dosáhnout vyššího tepelného výkonu, vyšší provozní teploty okolí a nižšího rozpočtu na měděné tepelné vrstvy. Vysoká účinnost balení bude mít za následek vysokou koncentraci komponent generujících teplo, což má za následek extrémně vysoké tepelné toky na úrovni IC a balení.

Mezi faktory, které je v systému třeba vzít v úvahu, patří některá další napájecí zařízení desky s plošnými spoji, která mohou ovlivnit teplotu analytického zařízení, prostor v systému a návrh/omezení proudění vzduchu. Při řízení teploty je třeba vzít v úvahu tři faktory: obal, deska a systém

Nízká cena, malý tvarový faktor, integrace modulů a spolehlivost balíčku jsou několik aspektů, které je třeba vzít v úvahu při výběru balíčku. Vzhledem k tomu, že cena se stává klíčovým hlediskem, získávají na popularitě tepelně vylepšené balíčky založené na leadframech. Tento balíček obsahuje vestavěný chladič nebo exponovanou podložku a balíčky typu rozvaděče tepla navržené pro zlepšení tepelného výkonu. V některých obalech pro povrchovou montáž mají speciální rámy vodičů několik vodičů zatavených na každé straně obalu, aby fungovaly jako rozvaděče tepla. Tento přístup poskytuje lepší cestu pro odvod tepla pro přenos tepla z matrice.

IC a Package Thermal Simulation

Tepelná analýza vyžaduje podrobné a přesné modely výrobků z křemíkových matric a tepelné vlastnosti skříně. Dodavatelé polovodičů poskytují křemíkové IC tepelné mechanické vlastnosti a balení, zatímco výrobci zařízení poskytují informace o materiálech modulů. Uživatelé produktu poskytují informace o prostředí použití.

Tato analýza pomáhá návrhářům integrovaných obvodů optimalizovat rozměry výkonu FET pro nejhorší případ ztráty výkonu v přechodných a klidových režimech provozu. V mnoha integrovaných obvodech výkonové elektroniky zabírají výkonové FETy významnou část plochy matrice. Tepelná analýza pomáhá návrhářům optimalizovat jejich návrhy.

Vybrané pouzdro typicky odhaluje část kovu, aby poskytl cestu s nízkou tepelnou impedancí od křemíkové matrice k chladiči. Klíčové parametry požadované modelem jsou následující:

Poměr stran velikosti silikonové matrice a tloušťka matrice.

Oblast a umístění napájecího zařízení a všechny pomocné obvody ovladače, které generují teplo.

Tloušťka energetické struktury (disperze uvnitř křemíkového čipu).

Oblast a tloušťka připojení matrice, kde je silikonová matrice připojena k exponovaným kovovým podložkám nebo kovovým hrbolkům. Může zahrnovat procento vzduchové mezery materiálu pro připojení matrice.

Plocha a tloušťka odkryté kovové podložky nebo kovového hrbolku.

Velikost balení pomocí formovacího materiálu a spojovacích vodičů.

Jsou vyžadovány vlastnosti tepelné vodivosti pro každý materiál použitý v modelu. Tento vstup dat také zahrnuje na teplotě závislé změny ve všech vlastnostech přenosu tepla, včetně:

Tepelná vodivost křemíkového čipu

Tepelná vodivost matrice, formovací hmota

Tepelná vodivost na spoji kovových podložek nebo kovových hrbolků.

Typ obalu (packageproduct) a interakce PCB

Rozhodujícím parametrem pro tepelnou simulaci je určení tepelného odporu podložky k materiálu chladiče, který lze určit následujícími způsoby:

Vícevrstvé desky FR4 (běžné jsou čtyř a šestivrstvé desky)

desku plošných spojů s jedním koncem

Horní a spodní desky

Tepelný a tepelný odpor se liší podle provedení:

Připojte k tepelným podložkám na vnitřním panelu chladiče nebo k tepelným průchodům na hrbolatých spojích. Pomocí pájky připojte odkryté tepelné podložky nebo nárazové spoje k horní vrstvě desky plošných spojů.

Otvor v desce plošných spojů pod odkrytou tepelnou podložkou nebo hrbolkovým spojem, který lze připojit k základně vyčnívajícího chladiče, který je připevněn ke kovovému krytu modulu.

Pomocí kovových šroubů připevněte chladič k chladiči na horní nebo spodní měděné vrstvě desky plošných spojů kovového pouzdra. Pomocí pájky připojte odkrytou tepelnou podložku nebo nárazový spoj k horní vrstvě desky plošných spojů.

Také hmotnost nebo tloušťka měděného povlaku použitého na každé vrstvě PCB je kritická. Pro analýzu tepelného odporu jsou tímto parametrem přímo ovlivněny vrstvy připojené k exponovaným spojům podložky nebo hrbolku. Obecně řečeno se jedná o horní, chladič a spodní vrstvu vícevrstvé desky s plošnými spoji.

Ve většině aplikací to může být vnější vrstva dvou uncí mědi (2 unce mědi=2,8 mils nebo 71 µm) a 1 unce mědi (1 unce mědi=1,4 mils nebo 35 µm) vnitřní vrstva, nebo všechny Obě jsou 1 oz měděné vrstvy. V aplikacích spotřební elektroniky někteří dokonce používají vrstvy {{10}},5 oz mědi (0,5 oz mědi=0,7 mil nebo 18 µm).

Modelová data

Simulace teploty matrice vyžaduje půdorys IC, který zahrnuje všechny výkonové FETy na matrici a jejich skutečné umístění, aby byly v souladu s pokyny pro pájení obalu.

Velikost a poměr stran každého FET je důležitý pro distribuci tepla. Dalším důležitým faktorem, který je třeba zvážit, je, zda jsou FETy napájeny současně nebo postupně. Přesnost modelu závisí na fyzikálních datech a použitých materiálových vlastnostech.

Statická nebo průměrná analýza výkonu modelu vyžaduje krátký výpočetní čas a ke konvergenci dochází, jakmile je zaznamenána nejvyšší teplota.

Analýza přechodných jevů vyžaduje údaje o výkonu versus čas. Data jsme zaznamenali pomocí kroku s lepším rozlišením než pouzdro spínaného zdroje, abychom přesně zachytili vrcholový nárůst teploty během rychlých napájecích pulzů. Tato analýza je obvykle časově náročná a vyžaduje více dat než statické simulace výkonu.

Tento model simuluje epoxidové dutiny v oblasti připojení matrice nebo pokovování v chladiči PCB. V obou případech mohou epoxidové/pokovené dutiny ovlivnit tepelnou odolnost obalu

Tepelná simulace je důležitou součástí vývoje energetických produktů. Navíc vás provede nastavením parametrů tepelného odporu od FET přechodu křemíkového čipu až po implementaci různých materiálů do produktu. Jakmile pochopíte různé cesty tepelného odporu, lze mnoho systémů optimalizovat pro všechny aplikace.

Sinda Thermal je profesionální tepelný expert, můžeme našim zákazníkům poskytnout optimalizovaný tepelný design a nabídnout nejkonkurenceschopnější cenu a vysoce kvalitní chladiče pro globální zákazníky. Máte-li jakékoli požadavky na teplo, neváhejte nás kontaktovat.