Охлаждение блока питания для оптимизации энергопотребления и стоимости

Когда тепло системы продуктов увеличивается, энергопотребление системы увеличивается в геометрической прогрессии. Таким образом, при проектировании системы электропитания будет выбрано решение с большей силой тока, а это неизбежно приведет к удорожанию. В определенной степени стоимость вырастет в геометрической прогрессии.

Тепловое моделирование - важная часть разработки энергетической продукции и предоставления рекомендаций по материалам продукции. Оптимизация размера модуля - это тенденция развития оконечного оборудования, которая приводит к преобразованию управления отводом тепла с металлического радиатора на медный слой печатной платы. В некоторых модулях сегодня используются более низкие частоты переключения для импульсных источников питания и крупных пассивных компонентов. Для преобразования напряжения и тока покоя, управляющего внутренней схемой, эффективность линейного регулятора относительно низка.

По мере того, как функций становится больше, производительность становится все выше и выше, а конструкция устройства становится все более компактной. В настоящее время очень важным становится моделирование тепловыделения на уровне интегральных схем и на уровне системы.

Температура рабочей среды в некоторых приложениях составляет от 70 до 125 ° C, а температура в некоторых автомобильных приложениях с размером матрицы даже достигает 140 ° C. Для этих приложений очень важна бесперебойная работа системы. При оптимизации электронных схем все большее значение приобретает точный термический анализ при переходных и статических наихудших сценариях для двух вышеуказанных типов приложений.

1. Температурный менеджмент

Сложность управления теплоотводом состоит в том, чтобы уменьшить размер корпуса при достижении более высоких характеристик теплоотвода, более высокой температуры рабочей среды и меньшего бюджета слоя теплоотвода из меди. Высокая эффективность упаковки приведет к более высокой концентрации компонентов, выделяющих тепло, что приведет к чрезвычайно высоким тепловым потокам на уровне IC и на уровне корпуса.

Факторы, которые необходимо учитывать в системе, включают другие устройства питания на печатной плате, которые могут влиять на температуру анализирующего устройства, пространство в системе и конструкцию / ограничения воздушного потока. Следует учитывать три уровня управления температурой: корпус, печатная плата и система.

Типичный путь теплопередачи в корпусе ИС

Низкая стоимость, малый форм-фактор, интеграция модулей и надежность корпуса - вот несколько аспектов, которые необходимо учитывать при выборе пакета. Поскольку стоимость становится ключевым фактором, все более популярными становятся пакеты для улучшения теплоотвода на основе выводных рам.

Этот тип корпуса включает в себя встроенный радиатор или открытую площадку и корпус типа замачивающего чипа, который разработан для улучшения характеристик рассеивания тепла. В некоторых корпусах для поверхностного монтажа некоторые специальные выводные рамки приваривают по несколько выводов с каждой стороны корпуса, чтобы выполнять функцию теплораспределителя. Этот метод обеспечивает лучший путь отвода тепла для теплопередачи штампа.

2. Моделирование тепловыделения ИС и корпуса.

Термический анализ требует детальных и точных моделей кремниевых чипов и тепловых свойств корпуса. Поставщики полупроводников предоставляют сведения о механических свойствах рассеивания тепла и упаковке ИС кремниевых микросхем, а производители оборудования предоставляют информацию о материалах модулей. Пользователи продукта предоставляют информацию о среде использования.

Этот анализ помогает разработчикам микросхем оптимизировать размер силового полевого транзистора для наихудшего случая энергопотребления в переходных и статических режимах работы. Во многих ИС силовой электроники силовой полевой транзистор занимает значительную часть площади кристалла. Термический анализ помогает дизайнерам оптимизировать свои конструкции.

Выбранный корпус обычно обнажает часть металла, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением рассеивания тепла от кремниевого кристалла к радиатору. Ключевые параметры, необходимые для модели, следующие:

• Соотношение размеров и толщины кремниевого кристалла.
  

  
  

• Площадь и расположение силового устройства и любых вспомогательных цепей привода, выделяющих тепло.

  
  

• Толщина структуры блока питания (дисперсия в кремниевом чипе).

  
  

• Площадь и толщина соединения кристалла, где кремниевый чип соединяется с открытыми металлическими контактными площадками или металлическими выступами. Может включать процент воздушного зазора материала соединения матрицы.

  
  

• Площадь и толщина стыка оголенных металлических накладок или металлических неровностей.

  
  

• Используйте материал формы и размер упаковки соединительного кабеля.

Необходимо указать свойства теплопроводности каждого материала, используемого в модели. Этот ввод данных также включает в себя зависящие от температуры изменения всех свойств теплопроводности, которые, в частности, включают:

• Теплопроводность кремниевого чипа
  

  
  

• Соединение с матрицей, теплопроводность материала пресс-формы

  
  

• Теплопроводность на стыке металлических прокладок или металлических выступов.

  
  

• Взаимодействие между упаковочным продуктом и платой

Одним из наиболее важных параметров моделирования рассеивания тепла является определение теплового сопротивления от прокладки к материалу радиатора. Методы определения термического сопротивления следующие:

• Многослойная печатная плата FR4 (обычно используются четырехслойные и шестислойные печатные платы)
  

  
  

• Несимметричная печатная плата

  
  

• Верхняя и нижняя печатные платы

  
  

Пути рассеивания тепла и теплового сопротивления различаются в зависимости от различных методов реализации:

Подсоедините к теплоотводящей подушке внутренней панели теплоотвода или к отверстию для отвода тепла в месте соединения выступа. Используйте припой, чтобы соединить открытую термопрокладку или ударное соединение с верхним слоем печатной платы.

Отверстие на печатной плате под открытой термопрокладкой или ударным соединением, которое может быть подключено к расширенному основанию радиатора, подключенному к металлическому корпусу модуля&# 39.

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 ударное соединение с верхним слоем печатной платы.

Кроме того, очень важны вес или толщина медного покрытия, используемого на каждом слое печатной платы. С точки зрения анализа термического сопротивления, этот параметр напрямую влияет на слои, соединенные с открытыми контактными площадками или неровностями. Вообще говоря, это верхний, радиатор и нижний слои многослойной печатной платы.

В большинстве случаев это может быть внешний слой в две унции меди (2 унции меди=2,8 мил или 71 мкм) и внутренний слой в 1 унцию (1 унция меди=1,4 мил или 35 мкм), или все 1 унция тяжелого плакированного медью слоя. В приложениях бытовой электроники в некоторых приложениях даже используется слой толщиной 0,5 унции (0,5 унции меди=0,7 мил или 18 мкм).