קירור אספקת החשמל למיטוב ביצועי החשמל והעלות

כאשר החום של מערכת המוצר עולה, צריכת החשמל של המערכת תגדל באופן אקספוננציאלי. באופן זה, בעת תכנון מערכת אספקת החשמל, ייבחר פתרון בעל זרם גדול יותר, והדבר יוביל בהכרח לעלייה בעלות. במידה מסוימת, העלות תגדל באופן אקספוננציאלי.

הדמיה תרמית היא חלק חשוב בפיתוח מוצרי חשמל ומתן הנחיות לחומרי מוצר. אופטימיזציה של גודל המודול היא מגמת הפיתוח של עיצוב ציוד קצה, אשר מביאה להמרה של ניהול פיזור החום מגוף הקירור המתכתי לשכבת הנחושת PCB. מודולים מסוימים משתמשים כיום בתדרי מיתוג נמוכים יותר עבור ספקי כוח במצב מתג ורכיבים פסיביים גדולים. עבור המרת המתח והזרם השקט המניע את המעגל הפנימי, היעילות של הרגולטור הליניארי נמוכה יחסית.

ככל שהפונקציות נעשות שופעות יותר, הביצועים נעשים גבוהים יותר ויותר, ועיצוב המכשיר הופך יותר ויותר קומפקטי. בשלב זה, סימולציית פיזור חום ברמת ה-IC וברמת המערכת הופכת חשובה מאוד.

טמפרטורת סביבת העבודה של יישומים מסוימים היא 70 עד 125 מעלות צלזיוס, והטמפרטורה של חלק מיישומי רכב בגודל גס היא אפילו עד 140 מעלות צלזיוס. עבור יישומים אלה, הפעילות הרצויה של המערכת חשובה מאוד. בעת אופטימיזציה של תכנונים אלקטרוניים, ניתוח תרמי מדויק תחת תרחישים חולפים וסטטיים במקרה הגרוע עבור שני סוגי היישומים שלעיל הופך חשוב יותר ויותר.

1. ניהול תרמי

הקושי בניהול פיזור חום הוא להקטין את גודל האריזה תוך השגת ביצועי פיזור חום גבוהים יותר, טמפרטורת סביבת עבודה גבוהה יותר ותקציב פיזור חום נחושת נמוך יותר. יעילות אריזה גבוהה תגרום לריכוז גבוה יותר של רכיבים יוצרי חום, וכתוצאה מכך שטפי חום גבוהים במיוחד ברמת ה-IC וברמת האריזה.

הגורמים שיש לקחת בחשבון במערכת כוללים התקני כוח אחרים של לוח מעגלים מודפסים שעשויים להשפיע על טמפרטורת מכשיר הניתוח, שטח המערכת ותכנון/הגבלות זרימת האוויר. שלושת הרמות של ניהול תרמי שיש לקחת בחשבון הן: חבילה, מעגל ומערכת

נתיב העברת חום טיפוסי באריזת IC

עלות נמוכה, גורם צורה קטן, שילוב מודול ואמינות חבילה הם מספר היבטים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת החבילה. ככל שהעלות הופכת לשיקול מרכזי, חבילות שיפור פיזור החום המבוססות על מסגרות עופרת הופכות פופולריות יותר ויותר.

חבילה מסוג זה כוללת גוף קירור משובץ או רפידה חשופה וחבילה מסוג שבב השרייה, שנועדה לשפר את ביצועי פיזור החום. בחלק מאריזות הרכבה על פני השטח, כמה מסגרות עופרת ייעודיות מרתכות מספר לידים בכל צד של האריזה כדי לתפקד כמפיץ חום. שיטה זו מספקת נתיב פיזור חום טוב יותר להעברת החום של כרית התבנית.

2. הדמיית פיזור חום של IC וחבילה

ניתוח תרמי מצריך מודלים מפורטים ומדויקים של מוצרי שבבי סיליקון ומאפיינים תרמיים. ספקי מוליכים למחצה מספקים מאפיינים מכניים ואריזה של שבב סיליקון IC פיזור חום, בעוד שיצרני ציוד מספקים מידע על חומרי מודול. משתמשי המוצר מספקים מידע על סביבת השימוש.

ניתוח זה עוזר למעצבי IC לייעל את גודל ה-FET הכוח עבור צריכת החשמל במקרה הגרוע ביותר במצבי פעולה חולפים וסטטיים. ב-ICs אלקטרוניים רבים, ה-FET הכוח תופס חלק ניכר משטח התבנית. ניתוח תרמי עוזר למעצבים לייעל את העיצובים שלהם.

החבילה שנבחרה בדרך כלל חושפת חלק מהמתכת כדי לספק נתיב עכבה נמוך של פיזור חום משבב הסיליקון לגוף הקירור. הפרמטרים העיקריים הנדרשים על ידי המודל הם כדלקמן:

• יחס רוחב-גובה של גודל שבב סיליקון ועובי שבב.
  

  
  

• השטח והמיקום של התקן החשמל, וכל מעגלי הנעה עזר המייצרים חום.

  
  

• עובי מבנה ספק הכוח (הפיזור בשבב הסיליקון).

  
  

• השטח והעובי של חיבור המות שבו שבב הסיליקון מחובר לרפידות המתכת החשופות או לבליטות המתכת. עשוי לכלול את אחוז מרווח האוויר של חומר חיבור התבנית.

  
  

• השטח והעובי של הצומת של רפידות מתכת חשופות או בליטות מתכת.

  
  

• השתמש בחומר התבנית ובגודל האריזה של כבל החיבור.

יש לספק את תכונות המוליכות התרמית של כל חומר המשמש במודל. קלט נתונים זה כולל גם שינויים תלויי טמפרטורה בכל מאפייני הולכת החום, הכוללים באופן ספציפי:

• מוליכות תרמית של שבב סיליקון
  

  
  

• חיבור למות, מוליכות תרמית של חומר עובש

  
  

• מוליכות תרמית בצומת של רפידות מתכת או בליטות מתכת.

  
  

• אינטראקציה בין מוצר החבילה ל-PCB

אחד הפרמטרים החשובים ביותר של הדמיית פיזור חום הוא קביעת ההתנגדות התרמית מהרפידה לחומר גוף הקירור. השיטות לקביעת ההתנגדות התרמית הן כדלקמן:

• לוח מעגלים FR4 רב שכבתי (בשימוש נפוץ הם לוחות ארבע שכבתיים ושש שכבות)
  

  
  

• לוח מעגלים חד-קצה

  
  

• לוחות מעגלים עליונים ותחתונים

  
  

נתיבי פיזור החום וההתנגדות התרמית משתנים בהתאם לשיטות יישום שונות:

חבר לרפידת פיזור החום של לוח גוף הקירור הפנימי או לחור פיזור החום בצומת הבליטה. השתמש בהלחמה כדי לחבר את הרפידה התרמית החשופה או את חיבור הבליטות לשכבה העליונה של ה-PCB.

פתח על ה-PCB מתחת לרפידה התרמית החשופה או לחיבור הבליטות, שניתן לחבר לבסיס גוף הקירור המורחב המחובר למעטפת המתכת של המודול'.

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

בנוסף, המשקל או העובי של ציפוי הנחושת המשמש על כל שכבה של ה-PCB הוא קריטי מאוד. מבחינת ניתוח התנגדות תרמית, השכבות המחוברות לרפידות או בליטות החשופות מושפעות ישירות מפרמטר זה. באופן כללי, אלו הן השכבות העליונות, גוף הקירור והתחתונה בלוח מעגלים מודפס רב-שכבתי.

ברוב היישומים, זה יכול להיות שכבה חיצונית של שתי אונקיות נחושת (2 אונקיות נחושת=2.8 מיל או 71 מיקרומטר), ושכבה פנימית של 1 אונקיה נחושת (1 אונקיה נחושת=1.4 מיל או 35 מיקרומטר), או כולם. 1 אונקיה שכבת חיפוי נחושת כבדה. ביישומי אלקטרוניקה לצרכן, יישומים מסוימים אפילו משתמשים בשכבת 0.5 אונקיות של נחושת (0.5 אונקיות של נחושת=0.7 מיל או 18 מיקרומטר).