Как да оптимизирате производителността на веригата и разходите за охлаждане на захранването

Когато топлината на продуктовата система се увеличи, консумацията на енергия на системата ще се увеличи експоненциално, така че при проектирането на енергийната система ще бъде избрано решение с по-висок ток, което неизбежно ще доведе до увеличаване на разходите. В определен момент цената нараства експоненциално. Позволете ми да споделя с вас статия за проектиране и симулация на охлаждане на захранващия блок.

Термичната симулация е важна част от разработването на енергийни продукти и предоставянето на насоки за материалите на продукта. Оптимизирането на форм-фактора на модула е тенденция на развитие в дизайна на крайното оборудване, което води до проблема с преминаването от метални радиатори към термично управление на меден слой на печатни платки. Някои от съвременните модули използват по-ниски честоти на превключване за превключващи захранвания и големи пасивни компоненти. Линейните регулатори са по-малко ефективни за преобразуване на напрежение и токове на покой, които управляват вътрешни вериги.

Тъй като дизайнът на устройството става по-богат на функции, подобряващ производителността, а дизайнът на устройството става по-компактен, топлинната симулация на ниво IC и ниво на системата става критична.

Някои приложения работят при температури на околната среда от 70 до 125 градуса, а някои автомобилни приложения с размер на щампа могат да достигнат температури до 140 градуса, където непрекъснатата работа на системата е важна. Точният преходен и статичен топлинен анализ на най-лошия случай и за двата типа приложения става все по-важен при оптимизирането на електронните дизайни.

Топлинно управление

Предизвикателството на управлението на топлината е да се намали размерът на опаковката, като същевременно се постигнат по-високи топлинни характеристики, по-висока работна температура на околната среда и по-нисък бюджет за медни термични слоеве. Високата ефективност на опаковката ще доведе до висока концентрация на компоненти, генериращи топлина, което води до изключително високи топлинни потоци на нивата на IC и опаковката.

Факторите, които трябва да се вземат предвид в системата, включват някои други захранващи устройства с печатни платки, които могат да повлияят на температурата на устройството за анализ, системното пространство и конструкцията/ограниченията на въздушния поток. Има три фактора, които трябва да се имат предвид при термичното управление: пакет, платка и система

Ниска цена, малък форм-фактор, интеграция на модули и надеждност на пакета са няколко аспекта, които трябва да имате предвид при избора на пакет. Тъй като разходите се превръщат в ключово съображение, базираните на водещи рамки термично подобрени пакети набират популярност. Този пакет включва вграден радиатор или открита подложка и пакети тип разпределител на топлина, предназначени да подобрят топлинните характеристики. В някои пакети за повърхностен монтаж специалните оловни рамки имат няколко извода, свързани към всяка страна на пакета, за да действат като разпределители на топлина. Този подход осигурява по-добър път на разсейване на топлината за пренос на топлина от матрицата.

IC и термична симулация на пакети

Термичният анализ изисква подробни и точни модели на продукти от силиконови матрици и топлинни свойства на корпуса. Доставчиците на полупроводници предоставят термомеханични свойства и опаковки на силициеви IC, докато производителите на оборудване предоставят информация за материалите на модула. Потребителите на продукта предоставят информация за средата на използване.

Този анализ помага на дизайнерите на IC да оптимизират размерите на мощността на FET за най-лошия случай на разсейване на мощността в преходни и неподвижни режими на работа. В много интегрални схеми за силова електроника силовите FETs заемат значителна част от площта на матрицата. Термичният анализ помага на дизайнерите да оптимизират дизайна си.

Избраният пакет обикновено излага част от метала, за да осигури път с нисък термичен импеданс от силиконовата матрица до радиатора. Основните параметри, изисквани от модела, са следните:

Съотношение на размера на силиконовата матрица и дебелина на матрицата.

Зона и местоположение на захранващото устройство и всички спомагателни вериги на драйвера, които генерират топлина.

Дебелина на силовата структура (дисперсия в силициевия чип).

Зоната на свързване на матрицата и дебелината, където силиконовата матрица е свързана с открити метални подложки или метални издатини. Може да включва процент въздушна междина на материала за закрепване на матрицата.

Площта и дебелината на откритата метална подложка или метална изпъкнала връзка.

Размер на опаковката с използване на формован материал и свързващи проводници.

Необходими са свойствата на топлопроводимост за всеки материал, използван в модела. Тези входни данни включват също зависими от температурата промени във всички свойства на топлопредаване, включително:

Топлопроводимост на силициевия чип

Топлинна проводимост на матрицата, формовъчен материал

Топлопроводимост при свързване на метални подложки или метални издатини.

Тип на опаковката (packageproduct) и взаимодействие на PCB

Решаващ параметър за термична симулация е да се определи термичното съпротивление от подложката до материала на радиатора, което може да се определи по следните начини:

Многослойни FR4 платки (често срещани са четири и шестслойни платки)

single-ended circuit board

Горни и долни дъски

Пътищата за термично и термично съпротивление варират според изпълнението:

Свържете към термични подложки на вътрешния радиаторен панел или термични отвори при неравни връзки. Използвайте спойка, за да свържете откритите термични подложки или изпъкнали връзки към горния слой на печатната платка.

Отвор в печатната платка под откритата термична подложка или изпъкнала връзка, която може да бъде свързана към основата на изпъкналия радиатор, който е прикрепен към металния корпус на модула.

Използвайте метални винтове, за да прикрепите радиатора към радиатора върху горния или долния меден слой на печатната платка на металния корпус. Използвайте спойка, за да свържете откритата термична подложка или изпъкнала връзка към горния слой на печатната платка.

Освен това теглото или дебелината на медното покритие, използвано върху всеки слой на печатната платка, е критично. За анализ на термичното съпротивление, слоевете, свързани към открити подложки или неравности, са пряко засегнати от този параметър. Най-общо казано, това е горният, радиаторният и долният слой в многослойна печатна платка.

В повечето приложения това може да бъде външен слой от две унции мед (2 унции мед=2.8 mils или 71 µm) и 1 унция мед (1 унция мед=1.4 mils или 35 µm) вътрешен слой, или всички И двете са медни слоеве от 1 унция. В приложенията на потребителската електроника някои дори използват слоеве {{10}}.5 oz мед (0.5 oz мед=0.7 mils или 18 µm).

Данни за модела

Симулирането на температурата на матрицата изисква етажен план на IC, който включва всички мощностни FET на матрицата и техните действителни местоположения, за да отговарят на указанията за запояване на пакети.

Размерът и аспектното съотношение на всеки FET са важни за топлинното разпределение. Друг важен фактор, който трябва да се вземе предвид, е дали FETs се захранват едновременно или последователно. Точността на модела зависи от физическите данни и свойствата на използвания материал.

Статичният или средният анализ на мощността на модела изисква кратко време за изчисление и конвергенцията настъпва, след като се регистрира най-високата температура.

Преходният анализ изисква данни за мощност спрямо време. Записахме данните, използвайки по-добра стъпка на разделителна способност от случая на импулсно захранване, за да уловим точно покачването на пиковата температура по време на бързи импулси на захранване. Този анализ обикновено отнема много време и изисква въвеждане на повече данни от симулациите на статична мощност.

Този модел симулира епоксидни кухини в зоната на закрепване на матрицата или кухини в покритието в радиатор на печатна платка. И в двата случая празнините от епоксидно/покритие могат да повлияят на термичната устойчивост на опаковката

Термичната симулация е важна част от разработването на енергийни продукти. В допълнение, той ви води през настройката на параметрите на термичното съпротивление, от FET съединението на силициевия чип до внедряването на различни материали в продукта. След като се разберат различните пътища на топлинно съпротивление, много системи могат да бъдат оптимизирани за всички приложения.

Sinda Thermal е професионален топлинен експерт, ние можем да осигурим оптимизиран топлинен дизайн за нашите клиенти и да предложим най-конкурентната цена и страхотни качествени радиатори за глобалните клиенти. Ако имате някакви термични изисквания, моля не се колебайте да се свържете с нас.