Как оптимизировать производительность схемы и затраты на охлаждение блока питания

При увеличении тепловыделения системы продукта энергопотребление системы будет увеличиваться в геометрической прогрессии, поэтому при проектировании системы питания будет выбрано решение с более высоким током, что неизбежно приведет к увеличению стоимости. В какой-то момент стоимость увеличивается в геометрической прогрессии. Позвольте мне поделиться с вами статьей о проектировании и моделировании системы охлаждения блока питания.

Тепловое моделирование является важной частью разработки продуктов питания и предоставления рекомендаций по материалам продуктов. Оптимизация форм-фактора модуля является тенденцией развития проектирования оконечного оборудования, в связи с чем возникает проблема перехода от металлических радиаторов к управлению температурой медного слоя печатной платы. Некоторые из современных модулей используют более низкие частоты переключения для импульсных источников питания и больших пассивных компонентов. Линейные регуляторы менее эффективны для преобразования напряжения и токов покоя, которые управляют внутренними цепями.

По мере того, как конструкции устройств становятся более многофункциональными, производительными, а конструкции устройств становятся все более компактными, тепловое моделирование на уровне ИС и на уровне системы становится критически важным.

Некоторые приложения работают при температуре окружающей среды от 70 до 125 градусов, а некоторые автомобильные приложения с размером кристалла могут достигать температуры до 140 градусов, где важна бесперебойная работа системы. Точный переходный и статический тепловой анализ в наихудшем случае для обоих типов приложений становится все более важным при оптимизации электронных конструкций.

Управление температурным режимом

Задача управления температурным режимом состоит в том, чтобы уменьшить размер корпуса при одновременном достижении более высоких тепловых характеристик, более высокой рабочей температуры окружающей среды и меньшего бюджета на медные тепловые слои. Высокая эффективность упаковки приведет к высокой концентрации выделяющих тепло компонентов, что приведет к чрезвычайно высоким тепловым потокам на уровне ИС и корпуса.

Факторы, которые следует учитывать в системе, включают в себя некоторые другие устройства питания на печатной плате, которые могут повлиять на температуру устройства анализа, системное пространство и конструкцию/ограничения воздушного потока. При управлении температурным режимом необходимо учитывать три фактора: корпус, плата и система.

Низкая стоимость, малый форм-фактор, интеграция модулей и надежность корпуса — вот несколько аспектов, которые следует учитывать при выборе пакета. Поскольку стоимость становится ключевым фактором, все большую популярность приобретают термически улучшенные корпуса на основе выводных рамок. Этот пакет включает в себя встроенный радиатор или открытую прокладку и пакеты типа распределителя тепла, предназначенные для улучшения тепловых характеристик. В некоторых корпусах для поверхностного монтажа специальные выводные рамки имеют несколько выводов, приваренных к каждой стороне корпуса, которые действуют как распределители тепла. Такой подход обеспечивает лучший путь отвода тепла от матрицы.

Тепловое моделирование интегральных схем и корпусов

Термический анализ требует подробных и точных моделей кремниевых кристаллов и тепловых свойств корпуса. Поставщики полупроводников предоставляют информацию о тепломеханических свойствах и упаковке кремниевых ИС, а производители оборудования предоставляют информацию о материалах модулей. Пользователи продукта предоставляют информацию о среде использования.

Этот анализ помогает разработчикам ИС оптимизировать размеры мощного полевого транзистора для наихудшего случая рассеивания мощности в переходных и стационарных режимах работы. Во многих ИС силовой электроники силовые полевые транзисторы занимают значительную часть площади кристалла. Термический анализ помогает разработчикам оптимизировать свои проекты.

Выбранный корпус обычно обнажает часть металла, чтобы обеспечить путь с низким тепловым импедансом от кремниевого кристалла к радиатору. Ключевые параметры, требуемые моделью, следующие:

Соотношение размеров кремниевой матрицы и толщина матрицы.

Зона и расположение силового устройства, а также любые вспомогательные цепи привода, выделяющие тепло.

Толщина силовой структуры (дисперсия внутри кремниевого чипа).

Площадь и толщина соединения матрицы, где силиконовая матрица соединяется с открытыми металлическими площадками или металлическими выступами. Может включать процент воздушного зазора материала, присоединяемого к штампу.

Площадь и толщина открытой металлической прокладки или металлического контактного соединения.

Размер упаковки с использованием формовочного материала и соединительных проводов.

Требуются свойства теплопроводности для каждого материала, используемого в модели. Эти входные данные также включают зависящие от температуры изменения всех свойств теплопередачи, включая:

Теплопроводность кремниевого чипа

Теплопроводность крепления штампа, формовочный материал

Теплопроводность при соединении металлических прокладок или металлических штырей.

Тип упаковки (packageproduct) и взаимодействие с печатной платой

Важнейшим параметром для теплового моделирования является определение теплового сопротивления от площадки к материалу радиатора, которое можно определить следующими способами:

Многослойные платы FR4 (обычны четырех- и шестислойные платы)

однотактная печатная плата

Верхняя и нижняя доски

Пути теплового сопротивления и теплового сопротивления различаются в зависимости от реализации:

Подключайтесь к термопрокладкам на внутренней панели радиатора или термопереходным отверстиям в контактных соединениях. Используйте припой для соединения открытых термопрокладок или контактных соединений с верхним слоем печатной платы.

Отверстие в печатной плате под открытой термопрокладкой или штыревым соединением, которое можно соединить с основанием выступающего радиатора, прикрепленного к металлическому корпусу модуля.

Используйте металлические винты, чтобы прикрепить радиатор к радиатору на верхнем или нижнем медном слое печатной платы металлического корпуса. Используйте припой, чтобы соединить открытую термопрокладку или штыревое соединение с верхним слоем печатной платы.

Кроме того, вес или толщина медного покрытия, используемого на каждом слое печатной платы, имеют решающее значение. Для анализа теплового сопротивления этот параметр напрямую влияет на слои, соединенные с открытыми контактными площадками или контактными площадками. Вообще говоря, это верхний, радиаторный и нижний слои многослойной печатной платы.

В большинстве случаев это может быть внешний слой из двух унций меди (2 унции меди=2,8 мил или 71 мкм) и медный слой из 1 унции (1 унция меди=1,4 мил или 35 мкм). внутренний слой или все Оба слоя меди толщиной 1 унция. В приложениях бытовой электроники некоторые даже используют слои меди {{10}},5 унции (0,5 унции меди=0,7 мил или 18 мкм).

Данные модели

Для имитации температуры кристалла требуется план этажа ИС, который включает все силовые полевые транзисторы на кристалле и их фактическое расположение в соответствии с рекомендациями по пайке корпусов.

Размер и соотношение сторон каждого полевого транзистора важны для распределения тепла. Другим важным фактором, который следует учитывать, является то, включаются ли полевые транзисторы одновременно или последовательно. Точность модели зависит от физических данных и используемых свойств материала.

Статический анализ или анализ средней мощности модели требует короткого времени вычислений, и сходимость происходит после регистрации самой высокой температуры.

Для анализа переходных процессов требуются данные зависимости мощности от времени. Мы записали данные с лучшим шагом разрешения, чем в случае импульсного источника питания, чтобы точно зафиксировать пиковое повышение температуры во время быстрых импульсов мощности. Этот анализ обычно занимает много времени и требует ввода большего количества данных, чем моделирование статической мощности.

Эта модель имитирует пустоты эпоксидной смолы в области крепления кристалла или пустоты покрытия в радиаторе печатной платы. В обоих случаях пустоты эпоксидной смолы/покрытия могут повлиять на тепловое сопротивление корпуса.

Тепловое моделирование является важной частью разработки энергетических продуктов. Кроме того, он проведет вас через настройку параметров теплового сопротивления, от соединения полевых транзисторов кремниевого чипа до использования различных материалов в продукте. После понимания различных путей теплового сопротивления многие системы могут быть оптимизированы для всех приложений.

Sinda Thermal является профессиональным экспертом в области тепловых технологий, мы можем предоставить нашим клиентам оптимизированный тепловой дизайн и предложить самые конкурентоспособные цены и высококачественные радиаторы для клиентов по всему миру. Если у вас есть какие-либо требования к теплу, пожалуйста, свяжитесь с нами.