Chłodzenie zasilacza w celu optymalizacji wydajności zasilania i kosztów

Gdy ciepło systemu produktu wzrasta, zużycie energii przez system wzrośnie wykładniczo. W ten sposób przy projektowaniu układu zasilania zostanie wybrane rozwiązanie o większym prądzie, a to nieuchronnie doprowadzi do wzrostu kosztów. Do pewnego stopnia koszt wzrośnie wykładniczo.

Symulacja termiczna jest ważną częścią opracowywania produktów energetycznych i zapewniania wytycznych dotyczących materiałów produktu. Optymalizacja wielkości modułu to trend rozwojowy projektowania urządzeń końcowych, który powoduje konwersję zarządzania rozpraszaniem ciepła z metalowego radiatora na warstwę miedzi na płytce drukowanej. Niektóre moduły używają obecnie niższych częstotliwości przełączania dla zasilaczy impulsowych i dużych elementów pasywnych. Dla konwersji napięcia i prądu spoczynkowego napędzającego obwód wewnętrzny sprawność regulatora liniowego jest stosunkowo niska.

W miarę jak funkcje stają się coraz bogatsze, wydajność staje się coraz wyższa, a konstrukcja urządzenia staje się coraz bardziej kompaktowa. W tej chwili bardzo ważna staje się symulacja rozpraszania ciepła na poziomie układu scalonego i systemu.

Temperatura środowiska pracy w niektórych zastosowaniach wynosi od 70 do 125°C, a temperatura w niektórych zastosowaniach samochodowych z matrycami sięga nawet 140°C. W przypadku tych zastosowań bardzo ważne jest nieprzerwane działanie systemu. Podczas optymalizacji projektów elektronicznych coraz ważniejsza staje się dokładna analiza termiczna w warunkach nieustalonych i statycznych najgorszych scenariuszy dla powyższych dwóch typów zastosowań.

1. Zarządzanie temperaturą

Trudność w zarządzaniu rozpraszaniem ciepła polega na zmniejszeniu rozmiaru pakietu przy jednoczesnym osiągnięciu wyższej wydajności rozpraszania ciepła, wyższej temperaturze środowiska pracy i niższym budżecie miedzianych warstw rozpraszania ciepła. Wysoka wydajność pakowania spowoduje wyższą koncentrację komponentów wytwarzających ciepło, co skutkuje wyjątkowo wysokimi strumieniami ciepła na poziomie układu scalonego i na poziomie opakowania.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę w systemie, obejmują inne urządzenia zasilające na płytkach drukowanych, które mogą wpływać na temperaturę urządzenia do analizy, przestrzeń systemową oraz projekt/ograniczenia przepływu powietrza. Należy wziąć pod uwagę trzy poziomy zarządzania ciepłem: pakiet, płytka drukowana i system

Typowa ścieżka wymiany ciepła w pakiecie IC

Niski koszt, mały współczynnik kształtu, integracja modułów i niezawodność pakietu to kilka aspektów, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze pakietu. Ponieważ koszt staje się kluczowym czynnikiem, pakiety poprawiające rozpraszanie ciepła oparte na ramkach wyprowadzeniowych stają się coraz bardziej popularne.

Ten rodzaj pakietu zawiera wbudowany radiator lub odsłoniętą podkładkę i pakiet typu chip nasączający, który ma na celu poprawę wydajności rozpraszania ciepła. W niektórych pakietach do montażu powierzchniowego niektóre dedykowane ramki wyprowadzeń spawają kilka wyprowadzeń z każdej strony pakietu, aby działały jako rozpraszacz ciepła. Ta metoda zapewnia lepszą ścieżkę rozpraszania ciepła dla przenoszenia ciepła nakładki matrycy.

2. Symulacja rozpraszania ciepła IC i pakietu

Analiza termiczna wymaga szczegółowych i dokładnych modeli chipów krzemowych oraz właściwości termicznych obudowy. Dostawcy półprzewodników zapewniają właściwości mechaniczne i opakowanie chipów krzemowych w zakresie rozpraszania ciepła, podczas gdy producenci sprzętu dostarczają informacje o materiałach modułów. Użytkownicy produktu dostarczają informacje o środowisku użytkowania.

Ta analiza pomaga projektantom układów scalonych zoptymalizować rozmiar FET mocy dla najgorszego przypadku zużycia energii w przejściowych i statycznych trybach pracy. W wielu energoelektronicznych układach scalonych FET mocy zajmuje znaczną część obszaru matrycy. Analiza termiczna pomaga projektantom optymalizować ich projekty.

Wybrany pakiet generalnie odsłania część metalu, aby zapewnić ścieżkę o niskiej impedancji rozpraszania ciepła od chipa krzemowego do radiatora. Kluczowe parametry wymagane przez model są następujące:

• Współczynnik kształtu i grubość wióra krzemu.
  

  
  

• Obszar i lokalizacja urządzenia zasilającego oraz wszelkich pomocniczych obwodów napędowych, które generują ciepło.

  
  

• Grubość konstrukcji zasilacza (dyspersja w chipie krzemowym).

  
  

• Obszar i grubość połączenia matrycy, w którym chip krzemowy jest połączony z odsłoniętymi metalowymi podkładkami lub metalowymi wypukłościami. Może zawierać procent szczeliny powietrznej materiału połączenia matrycy.

  
  

• Obszar i grubość połączenia odsłoniętych metalowych podkładek lub metalowych wypukłości.

  
  

• Użyj materiału formy i rozmiaru opakowania przewodu połączeniowego.

Należy podać właściwości przewodnictwa cieplnego każdego materiału użytego w modelu. Wprowadzane dane obejmują również zależne od temperatury zmiany we wszystkich właściwościach przewodzenia ciepła, które w szczególności obejmują:

• Przewodność cieplna wiórów krzemowych
  

  
  

• Połączenie matrycy, przewodność cieplna materiału formy

  
  

• Przewodność cieplna na styku metalowych podkładek lub metalowych wybojów.

  
  

• Interakcja między produktem opakowaniowym a płytką drukowaną

Jednym z najważniejszych parametrów symulacji rozpraszania ciepła jest określenie oporu cieplnego od podkładki do materiału radiatora. Metody wyznaczania oporu cieplnego są następujące:

• Wielowarstwowa płytka drukowana FR4 (powszechnie stosowane są czterowarstwowe i sześciowarstwowe płytki drukowane)
  

  
  

• Jednostronna płytka drukowana

  
  

• Płytka drukowana górna i dolna

  
  

Ścieżki rozpraszania ciepła i oporu cieplnego różnią się w zależności od różnych metod realizacji:

Podłącz do podkładki rozpraszającej ciepło wewnętrznego panelu radiatora lub do otworu rozpraszania ciepła na styku występu. Użyj lutu, aby połączyć odsłoniętą podkładkę termiczną lub połączenie wypukłe z górną warstwą PCB.

Otwór na płytce drukowanej poniżej odsłoniętej podkładki termicznej lub złącza, które można podłączyć do rozszerzonej podstawy radiatora połączonej z metalową obudową modułu'.

Użyj metalowych śrub, aby połączyć radiator z radiatorem na górnej lub dolnej warstwie miedzi na płytce drukowanej metalowej obudowy. Użyj lutu, aby połączyć odsłoniętą podkładkę termiczną lub połączenie wypukłe z górną warstwą PCB.

Ponadto bardzo ważna jest waga lub grubość powłoki miedzianej zastosowanej na każdej warstwie PCB. Z punktu widzenia analizy odporności termicznej, ten parametr ma bezpośredni wpływ na warstwy połączone z odsłoniętymi nakładkami lub nierównościami. Ogólnie rzecz biorąc, są to górna, radiatorowa i dolna warstwa wielowarstwowej płytki drukowanej.

W większości zastosowań może to być warstwa zewnętrzna o grubości 2 uncji miedzi (2 uncje miedzi=2,8 milicali lub 71 µm) i warstwa wewnętrzna o pojemności 1 uncji miedzi (1 uncja miedzi=1,4 milicali lub 35 µm) lub wszystkie są 1 uncja ciężkiej warstwy miedzi. W zastosowaniach elektroniki użytkowej niektóre aplikacje używają nawet warstwy 0,5 uncji miedzi (0,5 uncji miedzi=0,7 milicali lub 18 µm).