Πώς να βελτιστοποιήσετε την απόδοση του κυκλώματος και το κόστος για την ψύξη του τροφοδοτικού

Όταν αυξάνεται η θερμότητα του συστήματος προϊόντων, η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος θα αυξάνεται εκθετικά, επομένως κατά τον σχεδιασμό του συστήματος ισχύος, θα επιλεγεί μια λύση με υψηλότερο ρεύμα, η οποία αναπόφευκτα θα οδηγήσει σε αύξηση του κόστους. Σε ένα ορισμένο σημείο, το κόστος αυξάνεται εκθετικά. Επιτρέψτε μου να μοιραστώ μαζί σας ένα άρθρο σχετικά με τον σχεδιασμό και την προσομοίωση ψύξης τροφοδοτικού.

Η θερμική προσομοίωση είναι ένα σημαντικό μέρος της ανάπτυξης προϊόντων ενέργειας και της παροχής κατευθυντήριων γραμμών για τα υλικά προϊόντων. Η βελτιστοποίηση του παράγοντα μορφής της μονάδας είναι μια τάση εξέλιξης στον σχεδιασμό τερματικού εξοπλισμού, η οποία φέρνει το πρόβλημα της μετάβασης από μεταλλικές ψύκτρες στη θερμική διαχείριση στρώματος χαλκού PCB. Ορισμένες από τις σημερινές μονάδες χρησιμοποιούν χαμηλότερες συχνότητες μεταγωγής για τροφοδοτικά λειτουργίας μεταγωγής και μεγάλα παθητικά εξαρτήματα. Οι γραμμικοί ρυθμιστές είναι λιγότερο αποδοτικοί για τη μετάδοση τάσης και τα ρεύματα ηρεμίας που οδηγούν τα εσωτερικά κυκλώματα.

Καθώς τα σχέδια συσκευών γίνονται πιο πλούσια σε χαρακτηριστικά, βελτιώνουν την απόδοση και τα σχέδια συσκευών γίνονται πιο συμπαγή, η θερμική προσομοίωση σε επίπεδο IC και σε επίπεδο συστήματος γίνεται κρίσιμη.

Ορισμένες εφαρμογές λειτουργούν σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος από 70 έως 125 μοίρες και ορισμένες εφαρμογές αυτοκινήτων μεγέθους μήκους μπορούν να φτάσουν σε θερμοκρασίες έως και 140 βαθμούς, όπου η αδιάλειπτη λειτουργία του συστήματος είναι σημαντική. Η ακριβής μεταβατική και στατική θερμική ανάλυση στη χειρότερη περίπτωση και για τους δύο τύπους εφαρμογών γίνεται όλο και πιο σημαντική κατά τη βελτιστοποίηση ηλεκτρονικών σχεδίων.

Θερμική διαχείριση

Η πρόκληση της θερμικής διαχείρισης είναι να μειωθεί το μέγεθος της συσκευασίας, επιτυγχάνοντας παράλληλα υψηλότερη θερμική απόδοση, υψηλότερη θερμοκρασία περιβάλλοντος λειτουργίας και χαμηλότερο προϋπολογισμό για τα θερμικά στρώματα χαλκού. Η υψηλή απόδοση συσκευασίας θα οδηγήσει σε υψηλή συγκέντρωση συστατικών που παράγουν θερμότητα, με αποτέλεσμα εξαιρετικά υψηλές ροές θερμότητας στα επίπεδα IC και συσκευασίας.

Οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σύστημα περιλαμβάνουν ορισμένες άλλες συσκευές ισχύος της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος που μπορεί να επηρεάσουν τη θερμοκρασία της συσκευής ανάλυσης, τον χώρο του συστήματος και τη σχεδίαση/περιορισμούς ροής αέρα. Υπάρχουν τρεις παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη στη θερμική διαχείριση: συσκευασία, πλακέτα και σύστημα

Το χαμηλό κόστος, ο μικρός παράγοντας μορφής, η ενοποίηση της μονάδας και η αξιοπιστία του πακέτου είναι μερικές πτυχές που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την επιλογή ενός πακέτου. Καθώς το κόστος γίνεται βασικός παράγοντας, τα πακέτα θερμικής ενίσχυσης που βασίζονται σε leadframe κερδίζουν δημοτικότητα. Αυτό το πακέτο περιλαμβάνει πακέτα τύπου ενσωματωμένης ψύκτρας ή εκτεθειμένου μαξιλαριού και διανομέα θερμότητας που έχουν σχεδιαστεί για τη βελτίωση της θερμικής απόδοσης. Σε ορισμένες επιφανειακές συσκευασίες, τα ειδικά πλαίσια μολύβδου έχουν πολλά καλώδια συγκολλημένα σε κάθε πλευρά της συσκευασίας για να λειτουργούν ως διανομείς θερμότητας. Αυτή η προσέγγιση παρέχει καλύτερη διαδρομή απαγωγής θερμότητας για μεταφορά θερμότητας από το μαξιλαράκι μήτρας.

IC και Package Thermal Simulation

Η θερμική ανάλυση απαιτεί λεπτομερή και ακριβή μοντέλα προϊόντων μήτρας πυριτίου και θερμικές ιδιότητες περιβλήματος. Οι προμηθευτές ημιαγωγών παρέχουν θερμικές μηχανικές ιδιότητες και συσκευασία IC πυριτίου, ενώ οι κατασκευαστές εξοπλισμού παρέχουν πληροφορίες για τα υλικά των μονάδων. Οι χρήστες προϊόντων παρέχουν πληροφορίες περιβάλλοντος χρήσης.

Αυτή η ανάλυση βοηθά τους σχεδιαστές IC να βελτιστοποιήσουν τις διαστάσεις FET ισχύος για τη χειρότερη απαγωγή ισχύος σε μεταβατικές και ήρεμες καταστάσεις λειτουργίας. Σε πολλά IC ηλεκτρονικών ισχύος, τα FET ισχύος καταλαμβάνουν σημαντικό μέρος της περιοχής της μήτρας. Η θερμική ανάλυση βοηθά τους σχεδιαστές να βελτιστοποιήσουν τα σχέδιά τους.

Η επιλεγμένη συσκευασία εκθέτει συνήθως μέρος του μετάλλου για να παρέχει μια διαδρομή χαμηλής θερμικής αντίστασης από τη μήτρα πυριτίου στην ψύκτρα. Οι βασικές παράμετροι που απαιτούνται από το μοντέλο είναι οι εξής:

Αναλογία διαστάσεων μήτρας μήτρας πυριτίου και πάχος μήτρας.

Περιοχή και θέση της συσκευής τροφοδοσίας και τυχόν βοηθητικά κυκλώματα οδήγησης που παράγουν θερμότητα.

Πάχος δομής ισχύος (διασπορά εντός του τσιπ πυριτίου).

Η περιοχή και το πάχος σύνδεσης της μήτρας όπου η μήτρα πυριτίου συνδέεται με εκτεθειμένα μεταλλικά μαξιλαράκια ή μεταλλικά εξογκώματα. Μπορεί να περιλαμβάνει ποσοστό διακένου αέρα υλικού προσάρτησης μήτρας.

Το εμβαδόν και το πάχος του εκτεθειμένου μεταλλικού μαξιλαριού ή της σύνδεσης με μεταλλικό εξόγκωμα.

Μέγεθος συσκευασίας με χρήση υλικού χύτευσης και καλωδίων σύνδεσης.

Απαιτούνται οι ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας για κάθε υλικό που χρησιμοποιείται στο μοντέλο. Αυτή η εισαγωγή δεδομένων περιλαμβάνει επίσης αλλαγές που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία σε όλες τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας, συμπεριλαμβανομένων:

Θερμική αγωγιμότητα τσιπ πυριτίου

Θερμική αγωγιμότητα της μήτρας προσάρτησης, υλικού χύτευσης

Θερμική αγωγιμότητα στη σύνδεση μεταλλικών μαξιλαριών ή μεταλλικών εξογκωμάτων.

Τύπος συσκευασίας (packageproduct) και αλληλεπίδραση PCB

Μια κρίσιμη παράμετρος για τη θερμική προσομοίωση είναι ο προσδιορισμός της θερμικής αντίστασης από το επίθεμα στο υλικό της ψύκτρας, η οποία μπορεί να προσδιοριστεί με τους ακόλουθους τρόπους:

Πολυστρωματικές πλακέτες FR4 (οι πλακέτες τεσσάρων και έξι στρώσεων είναι κοινές)

πλακέτα κυκλώματος μονού άκρου

Πάνω και κάτω σανίδες

Οι διαδρομές θερμικής και θερμικής αντίστασης ποικίλλουν ανάλογα με την εφαρμογή:

Συνδέστε με θερμικά μαξιλαράκια στον εσωτερικό πίνακα της ψύκτρας ή με θερμικές διόδους στις συνδέσεις πρόσκρουσης. Χρησιμοποιήστε συγκόλληση για να συνδέσετε εκτεθειμένα θερμικά μαξιλαράκια ή συνδέσεις προσκρούσεων στο επάνω στρώμα του PCB.

Ένα άνοιγμα στο PCB κάτω από το εκτεθειμένο θερμικό μαξιλαράκι ή τη σύνδεση πρόσκρουσης που μπορεί να συνδεθεί στη βάση της προεξέχουσας ψύκτρας που είναι προσαρτημένη στο μεταλλικό περίβλημα της μονάδας.

Χρησιμοποιήστε μεταλλικές βίδες για να στερεώσετε την ψύκτρα στην ψύκτρα στο επάνω ή στο κάτω στρώμα χαλκού του PCB της μεταλλικής θήκης. Χρησιμοποιήστε συγκόλληση για να συνδέσετε το εκτεθειμένο θερμικό μαξιλαράκι ή τη σύνδεση πρόσκρουσης στο επάνω στρώμα του PCB.

Επίσης, το βάρος ή το πάχος της επιμετάλλωσης χαλκού που χρησιμοποιείται σε κάθε στρώμα του PCB είναι κρίσιμο. Για ανάλυση θερμικής αντίστασης, τα στρώματα που συνδέονται με εκτεθειμένες συνδέσεις μαξιλαριών ή προσκρούσεων επηρεάζονται άμεσα από αυτήν την παράμετρο. Σε γενικές γραμμές, αυτό είναι το επάνω στρώμα, η ψύκτρα και το κάτω στρώμα σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος πολλαπλών στρώσεων.

Στις περισσότερες εφαρμογές, αυτό μπορεί να είναι ένα εξωτερικό στρώμα χαλκού δύο ουγγιών (2 ουγγιές χαλκού=2).8 mils ή 71 μm) και ένα χαλκό 1 ουγγιάς (1 ουγγιά χαλκού=1.4 mils ή 35 μm) εσωτερικό στρώμα ή όλα και τα δύο είναι στρώματα χαλκού 1 ουγκιάς. Σε εφαρμογές ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, ορισμένοι χρησιμοποιούν ακόμη και στρώματα {{10}},5 oz copper (0,5 oz copper=0.7 mils ή 18 μm).

Μοντέλο Δεδομένων

Η προσομοίωση της θερμοκρασίας της μήτρας απαιτεί μια κάτοψη IC που περιλαμβάνει όλα τα FET ισχύος στη μήτρα και τις πραγματικές τους θέσεις, ώστε να συμμορφώνονται με τις οδηγίες συγκόλλησης συσκευασίας.

Το μέγεθος και η αναλογία διαστάσεων κάθε FET είναι σημαντικά για τη θερμική κατανομή. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι εάν τα FET τροφοδοτούνται ταυτόχρονα ή διαδοχικά. Η ακρίβεια του μοντέλου εξαρτάται από τα φυσικά δεδομένα και τις ιδιότητες του υλικού που χρησιμοποιούνται.

Η ανάλυση στατικής ή μέσης ισχύος του μοντέλου απαιτεί σύντομο υπολογιστικό χρόνο και η σύγκλιση συμβαίνει μόλις καταγραφεί η υψηλότερη θερμοκρασία.

Η μεταβατική ανάλυση απαιτεί δεδομένα ισχύος έναντι χρόνου. Καταγράψαμε τα δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα βήμα καλύτερης ανάλυσης από τη θήκη του τροφοδοτικού μεταγωγής για να καταγράψουμε με ακρίβεια τη μέγιστη άνοδο της θερμοκρασίας κατά τους γρήγορους παλμούς ισχύος. Αυτή η ανάλυση είναι συνήθως χρονοβόρα και απαιτεί περισσότερη εισαγωγή δεδομένων από τις προσομοιώσεις στατικής ισχύος.

Αυτό το μοντέλο προσομοιώνει εποξειδικά κενά στην περιοχή προσάρτησης μήτρας ή επιμετάλλωση κενών σε μια ψύκτρα PCB. Και στις δύο περιπτώσεις, τα κενά εποξειδικής/επιμετάλλωσης μπορεί να επηρεάσουν τη θερμική αντίσταση της συσκευασίας

Η θερμική προσομοίωση είναι ένα σημαντικό μέρος της ανάπτυξης προϊόντων ενέργειας. Επιπλέον, σας καθοδηγεί στη ρύθμιση των παραμέτρων θερμικής αντίστασης, από τη διασταύρωση FET του τσιπ πυριτίου έως την εφαρμογή διαφόρων υλικών στο προϊόν. Μόλις γίνουν κατανοητές οι διαφορετικές διαδρομές θερμικής αντίστασης, πολλά συστήματα μπορούν να βελτιστοποιηθούν για όλες τις εφαρμογές.

Η Sinda Thermal είναι επαγγελματίας θερμικός ειδικός, μπορούμε να παρέχουμε τον βελτιστοποιημένο θερμικό σχεδιασμό για τους πελάτες μας και να προσφέρουμε την πιο ανταγωνιστική τιμή και εξαιρετικής ποιότητας ψύκτρες για τους παγκόσμιους πελάτες. Εάν έχετε οποιεσδήποτε θερμικές απαιτήσεις, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.