Hogyan lehet optimalizálni az áramkör teljesítményét és a tápegység hűtésének költségeit

A termékrendszer hőjének növekedésével a rendszer teljesítményfelvétele exponenciálisan megnő, így az áramellátó rendszer tervezésekor nagyobb áramerősségű megoldás kerül kiválasztásra, ami elkerülhetetlenül költségnövekedéssel jár. Egy bizonyos ponton a költségek exponenciálisan nőnek. Hadd osszam meg veletek egy cikket a tápegység hűtésének tervezéséről és szimulációjáról.

A hőszimuláció fontos része az energiatermékek fejlesztésének és a termékanyagokra vonatkozó irányelvek megadásának. A modulok alaktényezőjének optimalizálása a végberendezések tervezésének fejlődési tendenciája, amely a fém hűtőbordákról a PCB rézrétegű hőkezelésre való átállás problémáját okozza. A mai modulok némelyike ​​alacsonyabb kapcsolási frekvenciát használ a kapcsolóüzemű tápegységekhez és a nagy passzív alkatrészekhez. A lineáris szabályozók kevésbé hatékonyak a belső áramkörök meghajtó feszültség- és nyugalmi áramok esetében.

Ahogy az eszközök tervezése funkciókban gazdagabbá, teljesítménynövelőbbé válik, és az eszközök kialakítása egyre kompaktabbá válik, a hőszimuláció az IC-szinten és a rendszerszinten kritikussá válik.

Egyes alkalmazások 70 és 125 fok közötti környezeti hőmérsékleten működnek, és egyes vágószerszámú autóipari alkalmazások akár 140 fokos hőmérsékletet is elérhetnek, ahol fontos a rendszer megszakítás nélküli működése. A pontos tranziens és statikus legrosszabb eset hőelemzése mindkét alkalmazástípus esetében egyre fontosabbá válik az elektronikai tervezés optimalizálása során.

Hőgazdálkodás

A hőkezelés kihívása a csomagolás méretének csökkentése, miközben magasabb hőteljesítményt, magasabb üzemi környezeti hőmérsékletet és alacsonyabb költségvetést ér el a réz termikus rétegekhez. A magas csomagolási hatékonyság a hőtermelő komponensek nagy koncentrációját eredményezi, ami rendkívül magas hőáramot eredményez az IC és a csomagolás szintjén.

A rendszerben figyelembe veendő tényezők közé tartozik néhány más nyomtatott áramköri lap tápegység, amelyek befolyásolhatják az elemzőeszköz hőmérsékletét, a rendszerteret és a légáramlás kialakítását/korlátait. A hőkezelés során három tényezőt kell figyelembe venni: a csomagot, a táblát és a rendszert

Az alacsony költség, a kis méret, a modulintegráció és a csomagok megbízhatósága néhány szempont, amelyet figyelembe kell venni a csomag kiválasztásakor. Ahogy a költség kulcsfontosságú tényezővé válik, egyre népszerűbbek a leadframe-alapú, termikusan javított csomagok. Ez a csomag beágyazott hűtőbordát vagy szabaddá tett párnát és hőelosztó típusú csomagokat tartalmaz, amelyeket a hőteljesítmény javítására terveztek. Egyes felületre szerelhető csomagokban a speciális ólomkeretek több vezetékkel vannak rögzítve a csomag mindkét oldalához, hogy hőelosztóként működjenek. Ez a megközelítés jobb hőelvezetési utat biztosít a hőátadáshoz a szerszámlapból.

IC és Package Thermal Simulation

A hőelemzés részletes és pontos szilíciumszerszám-termékmodelleket és burkolat termikus tulajdonságait igényel. A félvezető beszállítók a szilícium IC hőmechanikai tulajdonságait és csomagolását biztosítják, míg a berendezésgyártók a modulok anyagairól adnak tájékoztatást. A termékfelhasználók használati környezeti információkat adnak meg.

Ez az elemzés segít az IC-tervezőknek optimalizálni a teljesítmény-FET-dimenziókat a legrosszabb energiadisszipáció érdekében tranziens és nyugalmi üzemmódokban. Sok teljesítményelektronikai IC-ben a teljesítmény-FET-ek a szerszám területének jelentős részét foglalják el. A hőelemzés segít a tervezőknek optimalizálni terveiket.

A választott csomag jellemzően a fém egy részét szabaddá teszi, hogy alacsony hőimpedanciájú utat biztosítson a szilícium szerszámtól a hűtőbordáig. A modell által megkövetelt legfontosabb paraméterek a következők:

A szilikon szerszám méretaránya és vastagsága.

A tápegység területe és elhelyezkedése, valamint a hőt termelő kiegészítő meghajtó áramkörök.

Teljesítményszerkezet vastagsága (diszperzió a szilícium chipen belül).

A szerszám csatlakozási területe és vastagsága, ahol a szilícium matrica szabadon lévő fémpárnákhoz vagy fémdudorokhoz csatlakozik. Tartalmazhatja a rögzítőszerszám anyagának légrés százalékát.

A szabaddá tett fémpárna vagy fémdudor csatlakozás területe és vastagsága.

Csomagméret fröccsöntő anyag és csatlakozó vezetékek felhasználásával.

A modellben használt minden egyes anyag hővezetési tulajdonságaira szükség van. Ez az adatbevitel minden hőátadási tulajdonság hőmérsékletfüggő változásait is tartalmazza, beleértve:

Szilícium chip hővezető képessége

A szerszámrögzítő, formázóanyag hővezető képessége

Hővezető képesség fémbetétek vagy fémdudorok csatlakozásánál.

A csomag típusa (packageproduct) és a PCB interakciója

A hőszimuláció döntő paramétere a párna és a hűtőborda anyaga közötti hőellenállás meghatározása, amely a következő módokon határozható meg:

Többrétegű FR4 táblák (gyakoriak a négy- és hatrétegű táblák)

egyvégű áramköri lap

Felső és alsó táblák

A hő- és hőellenállási utak megvalósításonként változnak:

Csatlakoztassa a belső hűtőborda panel hőpárnáihoz vagy a dugattyús csatlakozásoknál lévő hőátmenetekhez. Használjon forrasztást a szabaddá vált hőpárnák vagy dudorok csatlakoztatásához a PCB felső rétegéhez.

Nyílás a nyomtatott áramköri lapon a szabaddá vált hőpárna vagy dudor csatlakozás alatt, amely a kiálló hűtőborda aljához csatlakoztatható, amely a modul fémházához van rögzítve.

Fémcsavarokkal rögzítse a hűtőbordát a hűtőbordához a fémház PCB-jének felső vagy alsó rézrétegén. Forrasztással csatlakoztassa a szabadon lévő hőpárnát vagy dudorcsatlakozást a PCB felső rétegéhez.

A nyomtatott áramköri lap minden rétegén alkalmazott rézbevonat súlya vagy vastagsága is kritikus. A hőellenállás elemzéséhez ez a paraméter közvetlenül érinti a szabaddá tett betét- vagy dudor csatlakozásokhoz kapcsolódó rétegeket. Általánosságban elmondható, hogy ez egy többrétegű nyomtatott áramköri lap felső, hűtőborda és alsó rétege.

A legtöbb alkalmazásban ez lehet egy két uncia réz (2 uncia réz=2,8 mil vagy 71 µm) külső réteg és egy 1 uncia réz (1 uncia réz=1,4 mil vagy 35 µm) belső réteg, vagy az összes Mindkettő 1 uncia rézréteg. A fogyasztói elektronikai alkalmazásokban egyesek még {{10}},5 uncia (0,5 uncia réz=0,7 mil vagy 18 µm) réteget is használnak.

Modelladatok

A szerszámhőmérséklet szimulálásához olyan IC alaprajzra van szükség, amely tartalmazza a szerszámon lévő összes teljesítmény-FET-et és azok tényleges helyét, hogy megfeleljen a csomagforrasztási irányelveknek.

Az egyes FET-ek mérete és képaránya fontos a hőeloszlás szempontjából. Egy másik fontos tényező, amelyet figyelembe kell venni, hogy a FET-ek egyidejűleg vagy egymás után kapcsolódnak-e be. A modell pontossága a felhasznált fizikai adatoktól és anyagtulajdonságoktól függ.

A modell statikus vagy átlagos teljesítményelemzése rövid számítási időt igényel, és a konvergencia a legmagasabb hőmérséklet rögzítése után következik be.

Az átmeneti elemzéshez teljesítmény-idő adatokra van szükség. Az adatokat jobb felbontású lépésekkel rögzítettük, mint a kapcsolóüzemű tápegység esetében, hogy pontosan rögzítsük a csúcshőmérséklet-emelkedést a gyors teljesítményimpulzusok során. Ez az elemzés általában időigényes, és több adatbevitelt igényel, mint a statikus teljesítményszimulációk.

Ez a modell epoxi üregeket szimulál a szerszám rögzítési területén, vagy bevonat üregeket a PCB hűtőbordában. Mindkét esetben az epoxi/bevonat üregei befolyásolhatják a csomagolás hőállóságát

A hőszimuláció az energiatermékek fejlesztésének fontos része. Ezen túlmenően végigvezeti Önt a hőellenállási paraméterek beállításán, a szilícium chip FET csatlakozásától a különféle anyagok termékben való megvalósításáig. A különböző hőellenállási utak megértése után sok rendszer minden alkalmazásra optimalizálható.

A Sinda Thermal professzionális hőtechnikai szakértő, ügyfeleink számára az optimalizált termikus tervezést, a legversenyképesebb árat és kiváló minőségű hűtőbordákat kínáljuk a globális ügyfelek számára. Ha bármilyen hőigénye van, forduljon hozzánk bizalommal.