Güç kaynağı soğutması için devre performansı ve maliyeti nasıl optimize edilir?
Ürün sisteminin ısısı arttığında sistemin güç tüketimi katlanarak artacağından güç sistemi tasarlanırken daha yüksek akımlı bir çözüm seçilecek ve bu da kaçınılmaz olarak maliyet artışına yol açacaktır. Belli bir noktada maliyet katlanarak artıyor. Sizinle güç kaynağı soğutma tasarımı ve simülasyonu üzerine bir makale paylaşayım.
Termal simülasyon, güç ürünleri geliştirmenin ve ürün malzemeleri için yönergeler sağlamanın önemli bir parçasıdır. Modül form faktörünün optimize edilmesi, metal ısı yutuculardan PCB bakır katmanlı termal yönetime geçiş problemini beraberinde getiren terminal ekipmanı tasarımında bir gelişme trendidir. Günümüzün bazı modülleri, anahtarlamalı mod güç kaynakları ve büyük pasif bileşenler için daha düşük anahtarlama frekansları kullanır. Lineer regülatörler, dahili devreleri çalıştıran gerilim çevrimi ve durağan akımlar için daha az verimlidir.
Cihaz tasarımları daha zengin özelliklere sahip, performans artırıcı hale geldikçe ve cihaz tasarımları daha kompakt hale geldikçe, IC seviyesinde ve sistem seviyesinde termal simülasyon kritik hale gelir.
Bazı uygulamalar 70 ila 125 derecelik ortam sıcaklıklarında çalışır ve kesintisiz sistem çalışmasının önemli olduğu bazı kalıp boyutundaki otomotiv uygulamaları 140 dereceye kadar yüksek sıcaklıklara ulaşabilir. Her iki tür uygulama için doğru geçici ve statik en kötü durum termal analizi, elektronik tasarımları optimize ederken giderek daha önemli hale geliyor.
Termal yönetim
Termal yönetimin zorluğu, bakır termal katmanlar için daha yüksek termal performans, daha yüksek çalışma ortam sıcaklığı ve daha düşük bütçe elde ederken paket boyutunu küçültmektir. Yüksek paketleme verimliliği, yüksek konsantrasyonda ısı üreten bileşenlerle sonuçlanarak IC ve paket seviyelerinde son derece yüksek ısı akışlarına neden olur.
Sistemde dikkate alınması gereken faktörler, analiz cihazı sıcaklığını, sistem alanını ve hava akışı tasarımını/sınırlamalarını etkileyebilecek diğer bazı baskılı devre kartı güç cihazlarını içerir. Termal yönetimde dikkate alınması gereken üç faktör vardır: paket, pano ve sistem
Düşük maliyet, küçük form faktörü, modül entegrasyonu ve paket güvenilirliği, bir paket seçerken göz önünde bulundurulması gereken birkaç husustur. Maliyet önemli bir husus haline geldikçe, öncü çerçeve tabanlı termal olarak geliştirilmiş paketler popülerlik kazanıyor. Bu paket, termal performansı iyileştirmek için tasarlanmış gömülü ısı emici veya açıkta kalan ped ve ısı yayıcı tipi paketleri içerir. Bazı yüzeye monte paketlerde, özel kurşun çerçeveler, ısı yayıcılar olarak hareket etmek için paketin her iki tarafına kaynaştırılmış birkaç uca sahiptir. Bu yaklaşım, kalıp pedinden ısı transferi için daha iyi bir ısı dağılımı yolu sağlar.
IC ve Paket Termal Simülasyonu
Termal analiz, ayrıntılı ve doğru silikon kalıp ürün modelleri ve mahfaza termal özellikleri gerektirir. Yarı iletken tedarikçileri, silikon IC termal mekanik özellikleri ve paketleme sağlarken, ekipman üreticileri modül malzemeleri hakkında bilgi sağlar. Ürün kullanıcıları, kullanım ortamı bilgilerini sağlar.
Bu analiz, IC tasarımcılarının geçici ve hareketsiz çalışma modlarında en kötü durum güç dağılımı için güç FET boyutlarını optimize etmesine yardımcı olur. Birçok güç elektroniği IC'sinde, güç FET'leri kalıp alanının önemli bir bölümünü kaplar. Termal analiz, tasarımcıların tasarımlarını optimize etmelerine yardımcı olur.
Seçilen paket, silikon kalıptan ısı alıcıya düşük bir termal empedans yolu sağlamak için tipik olarak metalin bir kısmını açığa çıkarır. Modelin gerektirdiği temel parametreler aşağıdaki gibidir:
Silikon kalıp boyutu en boy oranı ve kalıp kalınlığı.
Güç cihazı alanı ve konumu ve ısı üreten yardımcı sürücü devreleri.
Güç yapısı kalınlığı (silikon çip içindeki dağılım).
Silikon kalıbın açıkta kalan metal pedlere veya metal tümseklere bağlandığı kalıp bağlantı alanı ve kalınlığı. Kalıp ekli malzeme hava boşluğu yüzdesini içerebilir.
Açıkta kalan metal pedin veya metal tümsek bağlantısının alanı ve kalınlığı.
Kalıp malzemesi ve bağlantı hatları kullanılarak paket boyutu.
Modelde kullanılan her bir malzeme için ısıl iletkenlik özellikleri istenmektedir. Bu veri girişi ayrıca aşağıdakiler dahil olmak üzere tüm ısı transfer özelliklerinde sıcaklığa bağlı değişiklikleri içerir:
Silikon çip termal iletkenliği
Kalıp ekinin termal iletkenliği, kalıplama malzemesi
Metal pedlerin veya metal tümseklerin bağlantısında termal iletkenlik.
Paket tipi (paket ürün) ve PCB etkileşimi
Termal simülasyon için çok önemli bir parametre, pedden ısı emici malzemeye kadar aşağıdaki şekillerde belirlenebilen termal direnci belirlemektir:
Çok katmanlı FR4 panoları (dört ve altı katmanlı panolar yaygındır)
tek uçlu devre kartı
Üst ve alt tahtalar
Termal ve termal direnç yolları uygulamaya göre değişir:
Dahili soğutucu panelindeki termal pedlere veya çarpma bağlantılarındaki termal yollara bağlayın. Açıkta kalan termal pedleri veya darbeli bağlantıları PCB'nin üst katmanına bağlamak için lehim kullanın.
Modülün metal mahfazasına bağlı çıkıntılı ısı emicinin tabanına bağlanabilen, açıkta kalan termal pedin veya tümsek bağlantısının altındaki PCB'de bir açıklık.
Isı emiciyi metal kasanın PCB'sinin üst veya alt bakır katmanındaki ısı emiciye takmak için metal vidalar kullanın. Açıkta kalan termal yastığı veya çarpma bağlantısını PCB'nin üst katmanına bağlamak için lehim kullanın.
Ayrıca, PCB'nin her katmanında kullanılan bakır kaplamanın ağırlığı veya kalınlığı da kritik öneme sahiptir. Termal direnç analizi için, açıkta kalan ped veya çarpma bağlantılarına bağlı katmanlar bu parametreden doğrudan etkilenir. Genel olarak konuşursak, bu çok katmanlı bir baskılı devre kartındaki üst, ısı alıcı ve alt katmanlardır.
Çoğu uygulamada bu, iki ons bakır (2 ons bakır=2,8 mils veya 71 µm) dış katman ve 1 ons bakır (1 ons bakır=1,4 mils veya 35 µm) olabilir. iç katman veya tümü Her ikisi de 1 oz bakır katmanlardır. Tüketici elektroniği uygulamalarında, bazıları {{10}},5 ons bakır (0,5 ons bakır=0,7 mils veya 18 µm) katmanlar kullanır.
Model verileri
Kalıp sıcaklığının simüle edilmesi, paket lehimleme yönergelerine uymak için kalıp üzerindeki tüm güç FET'lerini ve gerçek konumlarını içeren bir IC kat planı gerektirir.
Her FET'in boyutu ve en boy oranı, termal dağıtım için önemlidir. Dikkate alınması gereken bir diğer önemli faktör, FET'lerin aynı anda mı yoksa sıralı olarak mı çalıştırıldığıdır. Model doğruluğu, kullanılan fiziksel verilere ve malzeme özelliklerine bağlıdır.
Modelin statik veya ortalama güç analizi, kısa bir hesaplama süresi gerektirir ve en yüksek sıcaklık kaydedildiğinde yakınsama gerçekleşir.
Geçici analiz, zamana karşı güç verilerini gerektirir. Hızlı güç darbeleri sırasında en yüksek sıcaklık artışını doğru bir şekilde yakalamak için verileri, anahtarlamalı güç kaynağı durumundan daha iyi bir çözünürlük adımı kullanarak kaydettik. Bu analiz tipik olarak zaman alıcıdır ve statik güç simülasyonlarından daha fazla veri girişi gerektirir.
Bu model, kalıp takma alanındaki epoksi boşluklarını veya bir PCB soğutucudaki kaplama boşluklarını simüle eder. Her iki durumda da epoksi/kaplama boşlukları paketin termal direncini etkileyebilir.
Termal simülasyon, güç ürünleri geliştirmenin önemli bir parçasıdır. Ayrıca, silikon çipin FET bağlantısından üründeki çeşitli malzemelerin uygulanmasına kadar termal direnç parametrelerinin ayarlanması konusunda size yol gösterir. Farklı termal direnç yolları anlaşıldıktan sonra, birçok sistem tüm uygulamalar için optimize edilebilir.
Sinda Thermal, profesyonel termal uzmanıdır, müşterilerimiz için optimize edilmiş termal tasarımı sağlayabilir ve küresel müşteriler için en rekabetçi fiyat ve mükemmel kalitede ısı emiciler sunabiliriz. Herhangi bir termal gereksiniminiz varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.
