Охлаждане на захранването за оптимизиране на мощността и разходите
Когато топлината на продуктовата система се увеличи, консумацията на енергия на системата ще се увеличи експоненциално. По този начин при проектиране на захранващата система ще бъде избрано решение с по-голям ток, а това неминуемо ще доведе до оскъпяване. До известна степен цената ще се увеличи експоненциално.
Термичната симулация е важна част от разработването на енергийни продукти и предоставянето на насоки за материалите на продукта. Оптимизирането на размера на модула е тенденцията на развитие на дизайна на терминално оборудване, което води до преобразуване на управлението на разсейването на топлината от металния радиатор към медния слой на печатната платка. Някои модули днес използват по-ниски честоти на превключване за превключващи захранвания и големи пасивни компоненти. За преобразуването на напрежението и тока на покой, задвижващи вътрешната верига, ефективността на линейния регулатор е сравнително ниска.
Тъй като функциите стават все по-изобилни, производителността става все по-висока, а дизайнът на устройството става все по-компактен. По това време симулацията на разсейване на топлината на ниво IC и на ниво система става много важна.
Температурата на работната среда при някои приложения е от 70 до 125°C, а температурата на някои автомобилни приложения с размер на матрицата е дори до 140°C. За тези приложения непрекъснатата работа на системата е много важна. При оптимизиране на електронните проекти, точният термичен анализ при преходни и статични най-лоши сценарии за горните два типа приложения става все по-важен.
1. Термично управление
Трудността при управлението на разсейването на топлината е да се намали размерът на опаковката, като същевременно се постигне по-висока производителност на разсейване на топлина, по-висока температура на работната среда и по-нисък бюджет на слоя за разсейване на мед. Високата ефективност на опаковане ще доведе до по-висока концентрация на топлогенериращи компоненти, което води до изключително високи топлинни потоци на ниво IC и ниво на опаковката.
Факторите, които трябва да се вземат предвид в системата, включват други захранващи устройства на печатна платка, които могат да повлияят на температурата на устройството за анализ, системното пространство и дизайна/ограниченията на въздушния поток. Трите нива на термично управление, които трябва да бъдат взети предвид, са: пакет, платка и система
Типичен път на топлопреминаване в IC пакет
Ниска цена, малък форм-фактор, модулна интеграция и надеждност на пакета са няколко аспекта, които трябва да се имат предвид при избора на пакет. Тъй като цената става ключов фактор, пакетите за подобряване на разсейването на топлината, базирани на оловни рамки, стават все по-популярни.
Този вид пакет включва вграден радиатор или открита подложка и пакет тип накисващ чип, който е предназначен да подобри ефективността на разсейване на топлината. В някои пакети за повърхностен монтаж някои специални оловни рамки заваряват няколко кабела от всяка страна на опаковката, за да функционират като разпределител на топлина. Този метод осигурява по-добър път на разсейване на топлината за пренос на топлина на матрицата.
2. Симулация на разсейване на топлина от IC и пакет
Термичният анализ изисква подробни и точни модели на продукти от силициев чип и топлинни свойства на корпуса. Доставчиците на полупроводници предоставят механични свойства и опаковки за разсейване на топлина на IC от силициев чип, докато производителите на оборудване предоставят информация за материалите на модулите. Потребителите на продукта предоставят информация за средата на употреба.
Този анализ помага на дизайнерите на IC да оптимизират размера на силовия FET за най-лошата консумация на енергия в преходни и статични режими на работа. В много силови електронни ИС, силовият FET заема значителна част от зоната на матрицата. Термичният анализ помага на дизайнерите да оптимизират своите проекти.
Избраният пакет обикновено разкрива част от метала, за да осигури нисък импеданс на разсейване на топлината от силиконовия чип до радиатора. Основните параметри, изисквани от модела, са както следва:
Съотношение на размера на силициевия чип и дебелина на чипа.
Площта и местоположението на захранващото устройство и всички спомагателни задвижващи вериги, които генерират топлина.
Дебелината на структурата на захранването (дисперсията в силициевия чип).
Площта и дебелината на връзката на матрицата, където силиконовият чип е свързан към откритите метални подложки или метални неравности. Може да включва процента на въздушната междина на свързващия материал на матрицата.
Площта и дебелината на кръстовището на открити метални подложки или метални неравности.
Използвайте материала на матрицата и размера на опаковката на свързващия кабел.
Трябва да бъдат предоставени свойствата на топлопроводимост на всеки материал, използван в модела. Този вход на данни включва също зависими от температурата промени във всички свойства на топлопроводимост, които по-специално включват:
Топлопроводимост на силиконов чип
Свързване на матрицата, топлопроводимост на материала на матрицата
Топлопроводимост на кръстовището на метални подложки или метални неравности.
Взаимодействие между пакетен продукт и печатна платка
Един от най-важните параметри на симулацията на разсейване на топлината е да се определи термичното съпротивление от подложката към материала на радиатора. Методите за определяне на термичното съпротивление са както следва:
Многослойна платка FR4 (често използвани са четирислойни и шестслойни платки)
Единична платка
Горни и долни платки
Пътищата на разсейване на топлината и термичното съпротивление варират според различните методи на изпълнение:
Свържете към подложката за разсейване на топлината на вътрешния панел на радиатора или отвора за разсейване на топлината в кръстовището на издатината. Използвайте спойка, за да свържете откритата термична подложка или неравномерна връзка към горния слой на печатната платка.
Отвор на печатната платка под откритата термична подложка или неравномерна връзка, която може да бъде свързана към удължената основа на радиатора, свързана към металния корпус на модула'.
Използвайте метални винтове, за да свържете радиатора към радиатора на горния или долния меден слой на печатната платка на металната обвивка. Използвайте спойка, за да свържете откритата термична подложка или неравномерна връзка към горния слой на печатната платка.
В допълнение, теглото или дебелината на медното покритие, използвано върху всеки слой от печатната платка, е много критично. По отношение на анализа на термичното съпротивление, слоевете, свързани към откритите подложки или неравности, са пряко засегнати от този параметър. Най-общо казано, това са горният, радиаторът и долният слой в многослойна печатна платка.
В повечето приложения той може да бъде външен слой от две унции мед (2 унции мед=2,8 mils или 71 µm) и вътрешен слой от 1 унция мед (1 унция мед=1,4 mils или 35 µm), или всички са 1 унция тежък меден слой. В приложенията за потребителска електроника някои приложения дори използват 0,5 унции мед (0,5 унции мед=0,7 mils или 18 µm) слой.
