Chlazení napájecího zdroje pro optimalizaci výkonu a nákladů
Když se teplo produktového systému zvýší, spotřeba energie systému exponenciálně vzroste. Tímto způsobem bude při návrhu napájecího systému zvoleno řešení s větším proudem a to nevyhnutelně povede ke zvýšení nákladů. Do určité míry se náklady zvýší exponenciálně.
Tepelná simulace je důležitou součástí vývoje energetických produktů a poskytování pokynů pro materiály produktů. Vývojovým trendem designu koncových zařízení je optimalizace velikosti modulu, která přináší konverzi managementu odvodu tepla z kovového chladiče na měděnou vrstvu DPS. Některé moduly dnes používají nižší spínací frekvence pro spínané zdroje a velké pasivní součástky. Pro konverzi napětí a klidový proud pohánějící vnitřní obvod je účinnost lineárního regulátoru relativně nízká.
Jak se funkce stávají hojnějšími, výkon se zvyšuje a zvyšuje a design zařízení je stále kompaktnější. V tomto okamžiku se stává velmi důležitá simulace odvodu tepla na úrovni IC a systému.
Teplota pracovního prostředí některých aplikací je 70 až 125 °C a teplota některých aplikací v automobilovém průmyslu je dokonce až 140 °C. Pro tyto aplikace je velmi důležitý nepřerušovaný provoz systému. Při optimalizaci elektronických návrhů je stále důležitější přesná tepelná analýza za přechodových a statických nejhorších scénářů pro výše uvedené dva typy aplikací.
1. Tepelný management
Obtížnost řízení odvodu tepla spočívá ve zmenšení velikosti balení při dosažení vyššího výkonu v oblasti odvodu tepla, vyšší teploty pracovního prostředí a nižšího rozpočtu vrstvy pro odvod tepla z mědi. Vysoká účinnost balení bude mít za následek vyšší koncentraci komponent generujících teplo, což má za následek extrémně vysoké tepelné toky na úrovni IC a na úrovni balení.
Mezi faktory, které je třeba v systému vzít v úvahu, patří další napájecí zařízení desky s plošnými spoji, která mohou ovlivnit teplotu analytického zařízení, prostor v systému a návrh/omezení proudění vzduchu. Tři úrovně tepelného managementu, které je třeba vzít v úvahu, jsou: pouzdro, obvodová deska a systém
Typická cesta přenosu tepla v pouzdru IC
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 náklady se stávají klíčovým hlediskem, stávají se stále oblíbenější balíčky pro zlepšení rozptylu tepla založené na olověných rámech.
Tento druh balení obsahuje vestavěný chladič nebo exponovanou podložku a balíček typu namáčecího čipu, který je navržen tak, aby zlepšil výkon odvádění tepla. V některých obalech pro povrchovou montáž některé vyhrazené olověné rámy svařují několik vodičů na každé straně obalu, aby fungovaly jako rozptylovač tepla. Tento způsob poskytuje lepší cestu pro odvod tepla pro přenos tepla lisovací podložky.
2. IC a simulace odvodu tepla z obalu
Tepelná analýza vyžaduje podrobné a přesné modely produktů z křemíkových čipů a tepelné vlastnosti pouzdra. Dodavatelé polovodičů poskytují křemíkový čip IC odvádění tepla, 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 velikost výkonového FET pro nejhorší případ spotřeby energie v přechodných a statických provozních režimech. V mnoha výkonových elektronických integrovaných obvodech zabírá výkonový FET značnou část oblasti matrice. Tepelná analýza pomáhá návrhářům optimalizovat jejich návrhy.
Vybrané pouzdro obecně odkrývá část kovu, aby poskytla cestu impedance nízkého rozptylu tepla od křemíkového čipu k chladiči. Klíčové parametry požadované modelem jsou následující:
Poměr stran velikosti křemíkového čipu a tloušťka čipu.
Oblast a umístění napájecího zařízení a všechny pomocné obvody pohonu, které generují teplo.
Tloušťka struktury napájecího zdroje (rozptyl v křemíkovém čipu).
Oblast a tloušťka připojení matrice, kde je křemíkový čip připojen k odkrytým kovovým podložkám nebo kovovým hrbolkům. Může zahrnovat procento vzduchové mezery spojovacího materiálu matrice.
Plocha a tloušťka spoje odkrytých kovových podložek nebo kovových hrbolků.
Použijte materiál formy a velikost balení připojovacího vedení.
Musí být uvedeny vlastnosti tepelné vodivosti každého materiálu použitého v modelu. Tento vstup dat také zahrnuje teplotně závislé změny všech vlastností vedení tepla, které konkrétně zahrnují:
Tepelná vodivost křemíkového čipu
Spojení zápustek, tepelná vodivost materiálu formy
Tepelná vodivost na spoji kovových podložek nebo kovových hrbolků.
Interakce mezi obalovým produktem a PCB
Jedním z nejdůležitějších parametrů simulace odvodu tepla je určení tepelného odporu od podložky k materiálu chladiče. Způsoby stanovení tepelného odporu jsou následující:
Vícevrstvá obvodová deska FR4 (běžně používané jsou čtyřvrstvé a šestivrstvé obvodové desky)
Deska plošných spojů s jedním koncem
Horní a spodní obvodové desky
Dráhy odvodu tepla a tepelného odporu se liší podle různých metod implementace:
Připojte k podložce pro odvod tepla vnitřního panelu chladiče nebo k otvoru pro odvod tepla na spoji výstupku. Pomocí pájky připojte odkrytou tepelnou podložku nebo nárazový spoj k horní vrstvě desky plošných spojů.
Otvor na desce plošných spojů pod odkrytou tepelnou podložkou nebo hrbolkovým spojem, který lze připojit k rozšířené základně chladiče připojené ke kovovému krytu modulu'
Pomocí kovových šroubů připojte chladič k chladiči na horní nebo spodní měděné vrstvě desky plošných spojů kovového pláště. Pomocí pájky připojte odkrytou tepelnou podložku nebo nárazový spoj k horní vrstvě desky plošných spojů.
Kromě toho je velmi kritická hmotnost nebo tloušťka měděného pokovení použitého na každé vrstvě PCB. Z hlediska analýzy tepelného odporu jsou tímto parametrem přímo ovlivněny vrstvy připojené k exponovaným podložkám nebo hrbolkům. Obecně řečeno, jedná se o horní, chladič a spodní vrstvu vícevrstvé desky s plošnými spoji.
Ve většině aplikací to může být dvouuncová měděná (2 unce mědi=2,8 mil nebo 71 µm) vnější vrstva a 1uncová měděná (1 unce mědi=1,4 mil nebo 35 µm) vnitřní vrstva, nebo všechny 1 unce těžké měděné plátované vrstvy. V aplikacích spotřební elektroniky některé aplikace dokonce používají vrstvu 0,5 unce mědi (0,5 unce mědi=0,7 mil nebo 18 µm).
