Cum să optimizați performanța circuitului și costul pentru răcirea sursei de alimentare

Când căldura sistemului de produs crește, consumul de energie al sistemului va crește exponențial, astfel încât la proiectarea sistemului de alimentare se va alege o soluție cu un curent mai mare, ceea ce va duce inevitabil la o creștere a costului. La un moment dat, costul crește exponențial. Permiteți-mi să vă împărtășesc un articol despre proiectarea și simularea răcirii sursei de alimentare.

Simularea termică este o parte importantă a dezvoltării produselor energetice și a furnizării de linii directoare pentru materialele produselor. Optimizarea factorului de formă a modulului este o tendință de dezvoltare în proiectarea echipamentelor terminale, care aduce problema trecerii de la radiatoarele metalice la gestionarea termică a stratului de cupru PCB. Unele dintre modulele de astăzi utilizează frecvențe de comutare mai scăzute pentru sursele de alimentare cu comutare și componente mari pasive. Regulatoarele liniare sunt mai puțin eficiente pentru translația tensiunii și curenții de repaus care antrenează circuitele interne.

Pe măsură ce design-urile dispozitivelor devin mai bogate în caracteristici, îmbunătățind performanța, iar design-urile dispozitivelor devin mai compacte, simularea termică la nivel de IC și la nivel de sistem devine critică.

Unele aplicații funcționează la temperaturi ambiante de 70 până la 125 de grade, iar unele aplicații auto cu dimensiunile matrițelor pot atinge temperaturi de până la 140 de grade, unde funcționarea neîntreruptă a sistemului este importantă. Analiza termică precisă tranzitorie și statică în cel mai rău caz pentru ambele tipuri de aplicații devine din ce în ce mai importantă atunci când se optimizează design-urile electronice.

Gestionarea termică

Provocarea managementului termic este de a reduce dimensiunea pachetului, obținând în același timp o performanță termică mai mare, o temperatură ambientală de funcționare mai mare și un buget mai mic pentru straturile termice de cupru. Eficiența ridicată a ambalajului va avea ca rezultat o concentrație mare de componente generatoare de căldură, rezultând fluxuri de căldură extrem de mari la nivelul IC și al pachetului.

Factorii de luat în considerare în sistem includ alte dispozitive de alimentare cu circuite imprimate care pot afecta temperatura dispozitivului de analiză, spațiul sistemului și designul/limitările fluxului de aer. Există trei factori de luat în considerare în managementul termic: pachet, placa și sistem

Costul redus, factorul de formă mic, integrarea modulelor și fiabilitatea pachetului sunt câteva aspecte de luat în considerare atunci când alegeți un pachet. Pe măsură ce costul devine o considerație cheie, pachetele îmbunătățite termic bazate pe leadframe câștigă popularitate. Acest pachet include un radiator încorporat sau un tampon expus și pachete de tip distribuitor de căldură concepute pentru a îmbunătăți performanța termică. În unele pachete de montare la suprafață, ramele speciale de plumb au mai multe cabluri fuzionate pe fiecare parte a pachetului pentru a acționa ca distribuitoare de căldură. Această abordare oferă o cale mai bună de disipare a căldurii pentru transferul de căldură de pe suportul matriței.

Simulare termică IC și pachet

Analiza termică necesită modele detaliate și precise de produse ale matrițelor din silicon și proprietăți termice ale carcasei. Furnizorii de semiconductori oferă proprietăți mecanice termice și ambalaje ale circuitului integrat de siliciu, în timp ce producătorii de echipamente oferă informații despre materialele modulelor. Utilizatorii produsului furnizează informații despre mediul de utilizare.

Această analiză ajută proiectanții de circuite integrate să optimizeze dimensiunile FET de putere pentru disiparea puterii în cel mai rău caz în modurile de funcționare tranzitorie și repaus. În multe circuite integrate pentru electronice de putere, FET-urile de putere ocupă o parte semnificativă a zonei matriței. Analiza termică îi ajută pe proiectanți să-și optimizeze proiectele.

Pachetul ales expune de obicei o parte din metal pentru a oferi o cale de impedanță termică scăzută de la matrița de siliciu la radiatorul. Parametrii cheie solicitați de model sunt următorii:

Raport de aspect al dimensiunii matriței din silicon și grosimea matriței.

Zona și locația dispozitivului de alimentare și orice circuite de driver auxiliare care generează căldură.

Grosimea structurii de putere (dispersie în cipul de siliciu).

Zona de conectare a matriței și grosimea în care matrița de siliciu este conectată la plăcuțe metalice expuse sau denivelări metalice. Poate include procentul de spațiu de aer al materialului de atașare a matriței.

Suprafața și grosimea plăcuței metalice expuse sau a conexiunii cu denivelări metalice.

Dimensiunea pachetului folosind material de turnare și cabluri de conectare.

Sunt necesare proprietățile de conductivitate termică pentru fiecare material utilizat în model. Această intrare de date include, de asemenea, modificări dependente de temperatură ale tuturor proprietăților de transfer de căldură, inclusiv:

Conductivitate termică a cipului de siliciu

Conductibilitatea termică a matriței de atașare, material de turnare

Conductivitate termică la conectarea plăcuțelor metalice sau a loviturilor metalice.

Tipul pachetului (produs pachet) și interacțiunea PCB

Un parametru esențial pentru simularea termică este determinarea rezistenței termice de la suport la materialul radiatorului, care poate fi determinată în următoarele moduri:

Plăci FR4 multistrat (plăcile cu patru și șase straturi sunt comune)

placă de circuit cu un singur capăt

Placi de sus și de jos

Căile de rezistență termică și termică variază în funcție de implementare:

Conectați-vă la plăcuțele termice de pe panoul radiatorului intern sau la conductele termice la conexiunile cu denivelări. Utilizați lipire pentru a conecta plăcuțele termice expuse sau conexiunile cu denivelări la stratul superior al PCB-ului.

O deschidere a PCB-ului de sub placa termică expusă sau conexiunea cu denivelare care poate fi conectată la baza radiatorului proeminent care este atașat la carcasa metalică a modulului.

Utilizați șuruburi metalice pentru a atașa radiatorul la radiatorul de pe stratul de cupru superior sau inferior al PCB-ului carcasei metalice. Utilizați lipire pentru a conecta placa termică expusă sau conexiunea cu denivelare la stratul superior al PCB-ului.

De asemenea, greutatea sau grosimea placajului cu cupru utilizat pe fiecare strat al PCB este critică. Pentru analiza rezistenței termice, straturile conectate la conexiuni expuse sau cu denivelări sunt direct afectate de acest parametru. În general, acesta este straturile superioare, radiatorului și inferioare ale unei plăci de circuite imprimate multistrat.

În majoritatea aplicațiilor, acesta poate fi un strat exterior de cupru de două uncii (cupru de 2 uncii=2.8 mils sau 71 µm) și un strat de cupru de 1 uncie (cupru de 1 uncie=1,4 mils sau 35 µm) stratul interior sau toate Ambele sunt straturi de cupru de 1 oz. În aplicațiile de electronice de larg consum, unele folosesc chiar straturi de {{10}},5 oz cupru (0,5 oz cupru=0,7 mils sau 18 µm).

Date model

Simularea temperaturii matriței necesită un plan de pardoseală IC care să includă toate FET-urile de putere de pe matriță și locațiile lor reale, pentru a respecta regulile de lipire a pachetului.

Dimensiunea și raportul de aspect al fiecărui FET sunt importante pentru distribuția termică. Un alt factor important de luat în considerare este dacă FET-urile sunt pornite simultan sau secvenţial. Precizia modelului depinde de datele fizice și de proprietățile materialelor utilizate.

Analiza de putere statică sau medie a modelului necesită un timp scurt de calcul și convergența are loc odată ce temperatura cea mai ridicată este înregistrată.

Analiza tranzitorie necesită date de putere față de timp. Am înregistrat datele utilizând un pas de rezoluție mai bun decât cazul sursei de alimentare cu comutare pentru a surprinde cu precizie creșterea de vârf a temperaturii în timpul impulsurilor rapide de putere. Această analiză necesită de obicei mult timp și necesită mai multe date de intrare decât simulările de putere statică.

Acest model simulează goluri epoxidice în zona de atașare a matriței sau goluri de placare într-un radiator PCB. În ambele cazuri, golurile de epoxid/placare pot afecta rezistența termică a ambalajului

Simularea termică este o parte importantă a dezvoltării produselor energetice. În plus, vă ghidează prin setarea parametrilor de rezistență termică, de la joncțiunea FET a cipului de siliciu până la implementarea diferitelor materiale în produs. Odată ce diferitele căi de rezistență termică sunt înțelese, multe sisteme pot fi optimizate pentru toate aplicațiile.

Sinda Thermal este expert termic profesionist, putem oferi un design termic optimizat pentru clienții noștri și oferim cel mai competitiv preț și radiatoare de calitate excelentă pentru clienții globali. Dacă aveți cerințe termice, nu ezitați să ne contactați.