כיצד לייעל את ביצועי המעגל והעלות עבור קירור ספק כוח

כאשר החום של מערכת המוצר יגדל, צריכת החשמל של המערכת תגדל באופן אקספוננציאלי, ולכן בעת ​​תכנון מערכת החשמל ייבחר פתרון בעל זרם גבוה יותר אשר יוביל בהכרח לעלייה בעלות. בשלב מסוים, העלות עולה באופן אקספוננציאלי. הרשו לי לשתף אתכם במאמר על עיצוב וסימולציה של קירור ספק כוח.

הדמיה תרמית היא חלק חשוב בפיתוח מוצרי חשמל ומתן הנחיות לחומרי מוצר. אופטימיזציה של גורם צורת המודול היא מגמת פיתוח בתכנון ציוד קצה, אשר מביאה לבעיה של מעבר מגוף קירור מתכתי לניהול תרמי של שכבת נחושת PCB. חלק מהמודולים של היום משתמשים בתדרי מיתוג נמוכים יותר עבור ספקי כוח במצב מתג ורכיבים פסיביים גדולים. הרגולטורים ליניאריים פחות יעילים לתרגום מתח ולזרמים שקטים המניעים מעגלים פנימיים.

ככל שתכנוני התקנים הופכים עשירים יותר בתכונות, משפרים ביצועים ועיצובי התקנים הופכים קומפקטיים יותר, סימולציה תרמית ברמת ה-IC וברמת המערכת הופכת קריטית.

יישומים מסוימים פועלים בטמפרטורות סביבה של 70 עד 125 מעלות, וחלק מיישומי רכב בגודל גס יכולים להגיע לטמפרטורות גבוהות עד 140 מעלות, שם חשובה פעולת המערכת ללא הפרעה. ניתוח תרמי מדוייק וסטטי במקרה הגרוע ביותר עבור שני סוגי היישומים הופך חשוב יותר ויותר בעת אופטימיזציה של עיצובים אלקטרוניים.

ניהול תרמי

האתגר של ניהול תרמי הוא להקטין את גודל החבילה תוך השגת ביצועים תרמיים גבוהים יותר, טמפרטורת סביבה גבוהה יותר ותקציב נמוך יותר לשכבות תרמיות נחושת. יעילות אריזה גבוהה תגרום לריכוז גבוה של רכיבים יוצרי חום, וכתוצאה מכך שטפי חום גבוהים במיוחד ברמות ה-IC והאריזה.

גורמים שיש לקחת בחשבון במערכת כוללים כמה התקני כוח אחרים של לוח מעגלים מודפסים שעשויים להשפיע על טמפרטורת מכשיר הניתוח, שטח המערכת ותכנון/מגבלות זרימת האוויר. ישנם שלושה גורמים שיש לקחת בחשבון בניהול תרמי: חבילה, לוח ומערכת

עלות נמוכה, גורם צורה קטן, שילוב מודול ואמינות חבילה הם כמה היבטים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חבילה. ככל שהעלות הופכת לשיקול מרכזי, חבילות תרמית משופרות מבוססות לידים צוברות פופולריות. חבילה זו כוללת חבילות מסוג גוף קירור משובץ או רפידות חשופות ומפזר חום שנועדו לשפר את הביצועים התרמיים. בחלק מאריזות הרכבה על פני השטח, למסגרות עופרת מיוחדות יש כמה מובילים שהתמזגו לכל צד של האריזה כדי לשמש כמפזרות חום. גישה זו מספקת נתיב פיזור חום טוב יותר להעברת חום מכרית התבנית.

סימולציה תרמית של IC וחבילה

ניתוח תרמי דורש מודלים מפורטים ומדויקים של מוצרי סיליקון ותכונות תרמיות של המארז. ספקי מוליכים למחצה מספקים תכונות מכניות תרמיות ואריזות של סיליקון IC, בעוד שיצרני ציוד מספקים מידע על חומרי מודול. משתמשי מוצר מספקים מידע סביבת שימוש.

ניתוח זה מסייע למעצבי IC לייעל את מימדי ה-FET של הספק עבור פיזור הספק במקרה הגרוע במצבי פעולה חולפים ושקטים. ב-ICs אלקטרוניים רבים, ה-FETs הכוח תופסים חלק ניכר משטח התבנית. ניתוח תרמי עוזר למעצבים לייעל את העיצובים שלהם.

החבילה שנבחרה בדרך כלל חושפת חלק מהמתכת כדי לספק נתיב עכבה תרמית נמוכה מתבנית הסיליקון לגוף הקירור. הפרמטרים העיקריים הנדרשים על ידי המודל הם כדלקמן:

יחס רוחב-גובה של גודל תבנית סיליקון ועובי התבנית.

אזור ומיקום התקן החשמל, וכל מעגלי נהג עזר שיוצרים חום.

עובי מבנה הכוח (פיזור בתוך שבב הסיליקון).

אזור החיבור והעובי שבו מתחברת תבנית הסיליקון לרפידות מתכת חשופות או לבליטות מתכת. עשוי לכלול אחוז מרווח אוויר לחיבור חומר.

השטח והעובי של כרית המתכת החשופה או חיבור גבשושי המתכת.

גודל אריזה באמצעות חומר יציקה ומובילי חיבור.

נדרשות תכונות המוליכות התרמית עבור כל חומר המשמש במודל. קלט נתונים זה כולל גם שינויים תלויי טמפרטורה בכל מאפייני העברת החום, כולל:

מוליכות תרמית של שבב סיליקון

מוליכות תרמית של חומר יציקת למות

מוליכות תרמית בחיבור רפידות מתכת או בליטות מתכת.

סוג חבילה (מוצר חבילה) ואינטראקציה PCB

פרמטר מכריע לסימולציה תרמית הוא קביעת ההתנגדות התרמית מהמשטח לחומר גוף הקירור, שניתן לקבוע בדרכים הבאות:

לוחות FR4 רב שכבתיים (לוחות ארבע ושש שכבות הם נפוצים)

לוח מעגלים חד-קצה

לוחות עליונים ותחתונים

נתיבי התנגדות תרמית ותרמית משתנים בהתאם ליישום:

חבר לרפידות תרמיות בלוח גוף הקירור הפנימי או דרך צינורות תרמית בחיבורי בליטות. השתמש בהלחמה כדי לחבר רפידות תרמיות חשופות או חיבורי בליטות לשכבה העליונה של ה-PCB.

פתח ב-PCB מתחת לרפידה התרמית החשופה או לחיבור הבליטות שניתן לחבר לבסיס גוף הקירור הבולט המחובר למארז המתכת של המודול.

השתמש בברגי מתכת כדי לחבר את גוף הקירור לגוף הקירור בשכבת הנחושת העליונה או התחתונה של ה-PCB של מארז המתכת. השתמש בהלחמה כדי לחבר את הרפידה התרמית החשופה או את חיבור הבליטות לשכבה העליונה של ה-PCB.

כמו כן, המשקל או העובי של ציפוי הנחושת המשמש בכל שכבה של ה-PCB הוא קריטי. עבור ניתוח התנגדות תרמית, שכבות המחוברות לחיבורי רפידה או גבשושית חשופים מושפעות ישירות מפרמטר זה. באופן כללי, זוהי השכבה העליונה, גוף הקירור והתחתונה בלוח מעגלים מודפס רב-שכבתי.

ברוב היישומים, זו יכולה להיות שכבה חיצונית של שתי אונקיות נחושת (2 אונקיות נחושת=2.8 מיל או 71 מיקרומטר) ושכבה חיצונית של 1 אונקיה נחושת (1 אונקיה נחושת=1.4 מיל או 35 מיקרומטר) שכבה פנימית, או כולם שניהם הם 1 אונקיות שכבות נחושת. ביישומי מוצרי אלקטרוניקה, חלקם אפילו משתמשים בשכבות {{10}}.5 oz copper (0.5 oz copper=0.7 mils או 18 µm).

נתוני דגם

הדמיית טמפרטורת התבנית דורשת תכנית רצפת IC הכוללת את כל ה-FETs הכוח על התבנית ואת מיקומם בפועל כדי לעמוד בהנחיות הלחמה של החבילה.

הגודל ויחס הגובה-רוחב של כל FET חשובים להפצה תרמית. גורם חשוב נוסף שיש לקחת בחשבון הוא האם ה-FETs מופעלים בו-זמנית או ברצף. דיוק המודל תלוי בנתונים הפיזיקליים ובמאפייני החומר המשמשים.

ניתוח הספק סטטי או ממוצע של המודל דורש זמן חישוב קצר והתכנסות מתרחשת ברגע שהטמפרטורה הגבוהה ביותר נרשמת.

ניתוח חולף דורש נתוני כוח לעומת זמן. הקלטנו את הנתונים באמצעות שלב רזולוציה טוב יותר מאשר מארז אספקת הכוח המיתוג כדי ללכוד במדויק את עליית הטמפרטורה בשיא במהלך פעימות הספק מהירות. ניתוח זה בדרך כלל גוזל זמן ודורש יותר קלט נתונים מאשר הדמיות הספק סטטי.

דגם זה מדמה חללים אפוקסי באזור חיבור התבנית, או ציפוי חללים בגוף קירור PCB. בשני המקרים, חללים אפוקסי/ציפוי יכולים להשפיע על ההתנגדות התרמית של האריזה

הדמיה תרמית היא חלק חשוב בפיתוח מוצרי חשמל. בנוסף, הוא מנחה אותך בקביעת פרמטרי התנגדות תרמית, החל ממפגש ה-FET של שבב הסיליקון ועד להטמעת חומרים שונים במוצר. לאחר שמבינים את נתיבי ההתנגדות התרמית השונים, ניתן לבצע אופטימיזציה של מערכות רבות עבור כל היישומים.

Sinda Thermal היא מומחית תרמית מקצועית, אנו יכולים לספק את העיצוב התרמי האופטימלי עבור הלקוחות שלנו, ולהציע את המחיר התחרותי ביותר וגוף חום באיכות מעולה עבור הלקוחות העולמיים. אם יש לך דרישות תרמיות כלשהן, אל תהסס לפנות אלינו.