Toiteallika jahutus võimsuse ja kulude optimeerimiseks
Kui tootesüsteemi kuumus suureneb, suureneb süsteemi energiatarve plahvatuslikult. Nii valitakse toitesüsteemi projekteerimisel suurema vooluga lahendus ja see toob paratamatult kaasa kulutõusu. Teatud määral suureneb kulu plahvatuslikult.
Soojussimulatsioon on energiatoodete väljatöötamise ja tootematerjali juhiste andmise oluline osa. Mooduli suuruse optimeerimine on lõppseadmete disaini arengutrend, mis toob kaasa soojuse hajumise juhtimise muundamise metallist jahutusradiaatorilt PCB vasekihiks. Mõned moodulid kasutavad tänapäeval lülitusrežiimi toiteallikate ja suurte passiivsete komponentide jaoks madalamat lülitussagedust. Sisemise vooluahela pinge muundamisel ja puhkevoolul on lineaarse regulaatori efektiivsus suhteliselt madal.
Funktsioonide suurenedes muutub jõudlus üha kõrgemaks ja seadme disain muutub üha kompaktsemaks. Sel ajal muutub IC-taseme ja süsteemitaseme soojuse hajumise simulatsioon väga oluliseks.
Mõne rakenduse töökeskkonna temperatuur on 70 kuni 125 °C ja mõne stantsiga autorakenduse temperatuur isegi kuni 140 °C. Nende rakenduste jaoks on süsteemi katkematu töö väga oluline. Elektrooniliste disainilahenduste optimeerimisel muutub üha olulisemaks täpne termiline analüüs mööduvate ja staatilise halvima stsenaariumi korral ülaltoodud kahte tüüpi rakenduste jaoks.
1. Soojusjuhtimine
Soojuse hajumise juhtimise raskus seisneb pakendi suuruse vähendamises, saavutades samal ajal parema soojuse hajumise, kõrgema töökeskkonna temperatuuri ja väiksema vase soojuse hajumise kihi eelarve. Kõrge pakendamistõhusus toob kaasa soojust tekitavate komponentide suurema kontsentratsiooni, mille tulemuseks on äärmiselt suured soojusvood IC tasemel ja pakendi tasemel.
Süsteemi puhul tuleb arvesse võtta muid trükkplaadi toiteseadmeid, mis võivad mõjutada analüüsiseadme temperatuuri, süsteemi ruumi ja õhuvoolu disaini/piiranguid. Arvesse tuleb võtta kolme soojusjuhtimise taset: pakett, trükkplaat ja süsteem
Tüüpiline soojusülekandetee IC-paketis
Madalad kulud, väike vormitegur, moodulite integreerimine ja paketi usaldusväärsus on mitmed aspektid, mida tuleb paketi valimisel arvestada. Kuna kulud muutuvad peamiseks kaalutluseks, muutuvad pliiraamidel põhinevad soojuse hajumise parandamise paketid üha populaarsemaks.
Selline pakett sisaldab sisseehitatud jahutusradiaatorit või avatud padja ja leotuslaastu tüüpi paketti, mis on loodud soojuse hajumise parandamiseks. Mõnes pindpaigalduspaketis keevitavad mõned spetsiaalsed juhtraamid mitu juhet pakendi mõlemal küljel, et toimida soojusjaoturina. See meetod tagab parema soojuse hajumise tee stantsipadja soojusülekandeks.
2. IC ja pakendi soojuse hajumise simulatsioon
Termoanalüüs nõuab üksikasjalikke ja täpseid ränikiibi tootemudeleid ja korpuse soojuslikke omadusi. Pooljuhtide tarnijad pakuvad ränikiibi IC-soojuse hajutamise mehaanilisi omadusi ja pakendeid, seadmete tootjad aga teavet moodulite materjalide kohta. Toote kasutajad annavad teavet kasutuskeskkonna kohta.
See analüüs aitab IC-disaineritel optimeerida FET-i võimsuse suurust halvima energiatarbimise jaoks siirde- ja staatilistes töörežiimides. Paljudes jõuelektroonilistes IC-des hõivab võimsus-FET märkimisväärse osa stantsi alast. Termoanalüüs aitab disaineritel oma disainilahendusi optimeerida.
Valitud pakett paljastab üldiselt osa metallist, et tagada madala soojuse hajumise impedantsi tee ränikiibist jahutusradiaatorini. Mudeli jaoks nõutavad põhiparameetrid on järgmised:
Silikoonkiibi suuruse kuvasuhe ja kiibi paksus.
Toiteseadme piirkond ja asukoht ning kõik soojust tekitavad lisaajami ahelad.
Toiteallika struktuuri paksus (dispersioon räni kiibis).
Matriitsi ühenduse pindala ja paksus, kus ränikiip on ühendatud paljastatud metallpatjade või metallkonarustega. Võib sisaldada stantsi ühendusmaterjali õhupilu protsenti.
Paljastatud metallpatjade või metallist konaruste ristmiku pindala ja paksus.
Kasutage vormi materjali ja ühendusjuhtme pakendi suurust.
Tuleb esitada iga mudelis kasutatud materjali soojusjuhtivusomadused. See andmesisend sisaldab ka temperatuurist sõltuvaid muutusi kõigis soojusjuhtivusomadustes, sealhulgas:
Silikoonkiibi soojusjuhtivus
Die ühendus, vormimaterjali soojusjuhtivus
Soojusjuhtivus metallpatjade või metallist konaruste ristmikul.
Pakenditoote ja PCB koostoime
Soojuse hajumise simulatsiooni üks olulisemaid parameetreid on soojustakistuse määramine padjalt jahutusradiaatori materjalile. Soojustakistuse määramise meetodid on järgmised:
Mitmekihiline FR4 trükkplaat (tavaliselt kasutatakse nelja- ja kuuekihilisi trükkplaate)
Ühe otsaga trükkplaat
Ülemised ja alumised trükkplaadid
Soojuse hajumise ja soojustakistuse teed varieeruvad sõltuvalt erinevatest rakendusmeetoditest:
Ühendage sisemise jahutusradiaatori paneeli soojuseralduspadja või eendi ristmikul asuva soojuse hajumise avaga. Kasutage jootet, et ühendada katmata termopadi või löögiühendus PCB ülemise kihiga.
Ava trükkplaadil avatud termopadja või löögiühenduse all, mille saab ühendada pikendatud jahutusradiaatori alusega, mis on ühendatud mooduli' metallkorpusega.
Kasutage metallkruvisid, et ühendada jahutusradiaator metallkesta PCB ülemise või alumise vasekihi jahutusradiaatoriga. Kasutage jootet, et ühendada katmata termopadi või löögiühendus PCB ülemise kihiga.
Lisaks on iga PCB kihi vaskplaadi kaal või paksus väga kriitiline. Soojustakistuse analüüsi osas mõjutab see parameeter otseselt paljastatud padjandite või konarustega ühendatud kihte. Üldiselt on need mitmekihilise trükkplaadi ülemine, jahutusradiaator ja alumine kiht.
Enamikus rakendustes võib see olla kaheuntsine vasekiht (2 untsi vask=2,8 miili või 71 µm) ja 1 unts vasekiht (1 unts vask=1,4 miili või 35 µm) või kõik 1 untsi raske vasega kaetud kiht. Tarbeelektroonika rakendustes kasutavad mõned rakendused isegi 0,5 untsi vasekihti (0,5 untsi vase=0,7 miili või 18 µm).
