Kuidas optimeerida vooluahela jõudlust ja kulusid toiteallika jahutamiseks

Tootesüsteemi soojuse suurenemisel suureneb plahvatuslikult süsteemi voolutarve, mistõttu elektrisüsteemi projekteerimisel valitakse suurema vooluga lahendus, mis toob paratamatult kaasa kulutõusu. Teatud hetkel suurenevad kulud plahvatuslikult. Lubage mul jagada teiega artiklit toiteallika jahutuse disaini ja simulatsiooni kohta.

Soojussimulatsioon on energiatoodete väljatöötamise ja tootematerjalide juhiste andmise oluline osa. Mooduli kujuteguri optimeerimine on lõppseadmete disaini arengusuund, mis toob kaasa probleemi üleminekul metallist jahutusradiaatoritelt PCB vasekihi soojusjuhtimisele. Mõned tänapäeva moodulid kasutavad lülitusrežiimi toiteallikate ja suurte passiivsete komponentide jaoks madalamat lülitussagedust. Lineaarsed regulaatorid on sisemisi vooluahelaid juhtivate pingete ja puhkevoolude jaoks vähem tõhusad.

Kuna seadmete disainid muutuvad funktsioonirikkamaks, jõudlust suurendavad ja seadmete konstruktsioonid muutuvad kompaktsemaks, muutub kriitiliseks termosimulatsioon IC-tasemel ja süsteemi tasemel.

Mõned rakendused töötavad ümbritseva õhu temperatuuril 70–125 kraadi ja mõned stantsitud mootorsõidukirakendused võivad saavutada temperatuuri kuni 140 kraadi, kus süsteemi katkematu töö on oluline. Täpne mööduv ja staatiline halvima juhtumi termoanalüüs mõlemat tüüpi rakenduste jaoks muutub elektrooniliste disainilahenduste optimeerimisel üha olulisemaks.

Soojusjuhtimine

Soojusjuhtimise väljakutse on vähendada pakendi suurust, saavutades samal ajal kõrgema soojusliku jõudluse, kõrgema töökeskkonna temperatuuri ja väiksema vase termokihtide eelarve. Kõrge pakendamistõhusus toob kaasa soojust tekitavate komponentide suure kontsentratsiooni, mille tulemuseks on äärmiselt suured soojusvood IC ja pakendi tasemel.

Süsteemis tuleb arvesse võtta muid trükkplaadi toiteseadmeid, mis võivad mõjutada analüüsiseadme temperatuuri, süsteemi ruumi ja õhuvoolu disaini/piiranguid. Soojusjuhtimisel tuleb arvestada kolme teguriga: pakett, tahvel ja süsteem

Madal hind, väike vormitegur, moodulite integreerimine ja paketi töökindlus on mõned aspektid, mida paketi valimisel arvestada. Kuna kulu muutub peamiseks kaalutluseks, on juhtraamil põhinevad termiliselt täiustatud paketid muutumas üha populaarsemaks. See pakett sisaldab sisseehitatud jahutusradiaatorit või katmata padja ja soojusjaoturi tüüpi pakette, mis on loodud soojusliku jõudluse parandamiseks. Mõnes pinnale paigaldatavas pakendis on spetsiaalsetel juhtraamidel mitu juhet, mis on pakendi mõlemale küljele sulatatud, et toimida soojusjaoturitena. See lähenemisviis tagab parema soojuse hajumise tee soojusülekandeks stantsipadjalt.

IC ja Package Thermal Simulation

Termoanalüüs nõuab üksikasjalikke ja täpseid ränist stantside tootemudeleid ja korpuse soojuslikke omadusi. Pooljuhtide tarnijad pakuvad räni IC termomehaanilisi omadusi ja pakendeid, seadmete tootjad aga teavet mooduli materjalide kohta. Toote kasutajad pakuvad kasutuskeskkonna teavet.

See analüüs aitab IC-disaineritel optimeerida FET-i võimsuse mõõtmeid halvima võimsuse hajumise jaoks siirde- ja puhkerežiimides. Paljudes jõuelektroonika IC-des hõivavad võimsus-FET-id olulise osa stantsi alast. Termoanalüüs aitab disaineritel oma disainilahendusi optimeerida.

Valitud pakend paljastab tavaliselt osa metallist, et tagada madala soojustakistusega tee ränivormist jahutusradiaatorini. Mudeli jaoks nõutavad põhiparameetrid on järgmised:

Silikoonvormi suuruse kuvasuhe ja stantsi paksus.

Toiteseadme piirkond ja asukoht ning kõik soojust tekitavad lisadraiveri ahelad.

Võimsusstruktuuri paksus (dispersioon räni kiibis).

Matriitsi ühendusala ja paksus, kus räni stants on ühendatud paljastatud metallpatjade või metallkonarustega. Võib sisaldada stantsi kinnitusmaterjali õhuvahe protsenti.

Paljastatud metallpadja või metallist konarliku ühenduse pindala ja paksus.

Pakendi suurus, kasutades vormimismaterjali ja ühendusjuhtmeid.

Iga mudelis kasutatud materjali soojusjuhtivusomadused on nõutavad. See andmesisend sisaldab ka temperatuurist sõltuvaid muutusi kõigis soojusülekande omadustes, sealhulgas:

Silikoonkiibi soojusjuhtivus

Stantsi kinnituse, vormimismaterjali soojusjuhtivus

Soojusjuhtivus metallpatjade või metallist konaruste ühendamisel.

Pakendi tüüp (packageproduct) ja PCB interaktsioon

Termilise simulatsiooni oluline parameeter on soojustakistuse määramine padja ja jahutusradiaatori materjali vahel, mida saab määrata järgmistel viisidel:

Mitmekihilised FR4 plaadid (levinud on nelja- ja kuuekihilised plaadid)

ühe otsaga trükkplaat

Ülemised ja alumised lauad

Soojus- ja soojustakistuse teed varieeruvad olenevalt rakendusest:

Ühendage sisemise jahutusradiaatori paneeli termopatjadega või konarlike ühenduste juures asuvate termiliste avadega. Kasutage jootet, et ühendada katmata termopadjad või löögiühendused PCB ülemise kihiga.

Ava trükkplaadil avatud termopadja või löögiühenduse all, mille saab ühendada mooduli metallkorpuse külge kinnitatud väljaulatuva jahutusradiaatori põhjaga.

Kasutage metallkruvisid, et kinnitada jahutusradiaator metallkorpuse PCB ülemise või alumise vasekihi jahutusradiaatori külge. Kasutage jootet, et ühendada katmata termopadi või muhkühendus PCB ülemise kihiga.

Samuti on kriitilise tähtsusega iga PCB kihi vaskplaadi kaal või paksus. Soojustakistuse analüüsiks mõjutab see parameeter otseselt kihte, mis on ühendatud avatud padja- või löögiühendustega. Üldiselt on see mitmekihilise trükkplaadi ülemine, jahutusradiaator ja alumine kiht.

Enamikus rakendustes võib selleks olla kahe untsi vase (2 untsi vask=2,8 miili ehk 71 µm) väliskiht ja 1 unts vasekiht (1 unts vask=1,4 miili või 35 µm) sisemine kiht või kõik Mõlemad on 1 untsi vasekihid. Tarbeelektroonika rakendustes kasutavad mõned isegi {{10}},5 untsi vase (0,5 untsi vase=0,7 mil või 18 µm) kihte.

Mudeli andmed

Matriitsi temperatuuri simuleerimiseks on vaja IC-põrandaplaani, mis sisaldab kõiki matriitsi võimsus-FET-e ja nende tegelikke asukohti, et järgida pakendi jootmisjuhiseid.

Iga FET-i suurus ja kuvasuhe on soojusjaotuse jaoks olulised. Teine oluline tegur, mida tuleb arvestada, on see, kas FET-id lülitatakse sisse samaaegselt või järjestikku. Mudeli täpsus sõltub kasutatud füüsikalistest andmetest ja materjali omadustest.

Mudeli staatiline või keskmise võimsuse analüüs nõuab lühikest arvutusaega ja konvergents toimub pärast kõrgeima temperatuuri registreerimist.

Siirdeanalüüs nõuab võimsuse ja aja andmeid. Salvestasime andmed parema eraldusvõimega sammuga kui lülitustoiteallika korpus, et täpselt jäädvustada tipptemperatuuri tõus kiirete toiteimpulsside ajal. See analüüs on tavaliselt aeganõudev ja nõuab rohkem andmete sisestamist kui staatilise võimsuse simulatsioonid.

See mudel simuleerib epoksütühimeid matriitsi kinnituspiirkonnas või plaadistuse tühimikuid PCB jahutusradiaatoris. Mõlemal juhul võivad epoksü/plaadistuse tühimikud mõjutada pakendi soojustakistust

Soojussimulatsioon on energiatoodete väljatöötamise oluline osa. Lisaks juhendab see teid läbi soojustakistuse parameetrite seadistamise, alates ränikiibi FET-ühendusest kuni erinevate materjalide rakendamiseni tootes. Kui erinevatest soojustakistuste radadest on aru saadud, saab paljusid süsteeme optimeerida kõikide rakenduste jaoks.

Sinda Thermal on professionaalne soojusekspert, saame pakkuda oma klientidele optimeeritud soojusdisaini ning pakkuda ülemaailmsetele klientidele kõige konkurentsivõimelisemat hinda ja suurepärase kvaliteediga jahutusradiaatoreid. Kui teil on soojusvajadusi, võtke meiega ühendust.