Güç performansını ve maliyeti optimize etmek için güç kaynağı soğutması
Ürün sisteminin ısısı arttığında, sistemin güç tüketimi katlanarak artacaktır. Bu şekilde güç kaynağı sistemi tasarlanırken daha büyük akıma sahip bir çözüm seçilecek ve bu da kaçınılmaz olarak maliyetin artmasına neden olacaktır. Bir dereceye kadar, maliyet katlanarak artacaktır.
Termal simülasyon, güç ürünleri geliştirmenin ve ürün malzeme yönergeleri sağlamanın önemli bir parçasıdır. Modül boyutunu optimize etmek, ısı dağılımı yönetiminin metal ısı emiciden PCB bakır katmanına dönüştürülmesini sağlayan terminal ekipmanı tasarımının gelişme eğilimidir. Günümüzde bazı modüller, anahtarlamalı güç kaynakları ve büyük pasif bileşenler için daha düşük anahtarlama frekansları kullanır. Dahili devreyi süren voltaj dönüşümü ve durgun akım için, lineer regülatörün verimliliği nispeten düşüktür.
Fonksiyonlar çoğaldıkça performans da yükselir ve cihaz tasarımı giderek daha kompakt hale gelir. Şu anda, IC düzeyinde ve sistem düzeyinde ısı dağılımı simülasyonu çok önemli hale geliyor.
Bazı uygulamaların çalışma ortamı sıcaklığı 70 ila 125 °C'dir ve bazı kalıp boyutundaki otomotiv uygulamalarının sıcaklığı 140 °C'ye kadar çıkabilir. Bu uygulamalar için sistemin kesintisiz çalışması çok önemlidir. Elektronik tasarımları optimize ederken, yukarıdaki iki tür uygulama için geçici ve statik en kötü durum senaryoları altında doğru termal analiz giderek daha önemli hale geliyor.
1. Termal Yönetim
Isı dağılımı yönetiminin zorluğu, daha yüksek ısı dağılımı performansı, daha yüksek çalışma ortamı sıcaklığı ve daha düşük bakır ısı dağılımı katmanı bütçesi elde ederken paket boyutunu küçültmektir. Yüksek paketleme verimliliği, ısı üreten bileşenlerin daha yüksek konsantrasyonuyla sonuçlanacak ve bu da IC düzeyinde ve paket düzeyinde aşırı yüksek ısı akışları ile sonuçlanacaktır.
Sistemde dikkate alınması gereken faktörler, analiz cihazı sıcaklığını, sistem alanını ve hava akışı tasarımını/kısıtlamalarını etkileyebilecek diğer baskılı devre kartı güç cihazlarını içerir. Dikkate alınması gereken üç termal yönetim seviyesi şunlardır: paket, devre kartı ve sistem
IC paketindeki tipik ısı transfer yolu
Düşük maliyet, küçük form faktörü, modül entegrasyonu ve paket güvenilirliği, bir paket seçerken göz önünde bulundurulması gereken birkaç husustur. Maliyet önemli bir husus haline geldiğinden, kurşun çerçevelere dayalı ısı dağılımı iyileştirme paketleri giderek daha popüler hale geliyor.
Bu tür bir paket, ısı yayma performansını iyileştirmek için tasarlanmış gömülü ısı emici veya açıkta kalan ped ve ıslatma çipi tipi paketi içerir. Bazı yüzey montajlı paketlerde, bazı özel kurşun çerçeveler, bir ısı yayıcı olarak işlev görmek için paketin her iki tarafında birkaç kabloyu kaynatır. Bu yöntem, kalıp pedinin ısı transferi için daha iyi bir ısı yayma yolu sağlar.
2. IC ve paket ısı dağılımı simülasyonu
Termal analiz, ayrıntılı ve doğru silikon çip ürün modelleri ve muhafaza termal özellikleri gerektirir. Yarı iletken tedarikçileri, silikon çip IC ısı dağılımı mekanik özellikleri ve paketleme sağlarken, ekipman üreticileri modül malzemeleri hakkında bilgi sağlar. Ürün kullanıcıları, kullanım ortamı hakkında bilgi sağlar.
Bu analiz, IC tasarımcılarının geçici ve statik çalışma modlarında en kötü durumdaki güç tüketimi için güç FET boyutunu optimize etmesine yardımcı olur. Birçok güç elektroniği IC'sinde, güç FET'i kalıp alanının önemli bir bölümünü kaplar. Termal analiz, tasarımcıların tasarımlarını optimize etmelerine yardımcı olur.
Seçilen paket, silikon çipten ısı emiciye düşük bir ısı yayma empedansı yolu sağlamak için genellikle metalin bir kısmını açığa çıkarır. Modelin gerektirdiği temel parametreler aşağıdaki gibidir:
Silikon çip boyutu en boy oranı ve çip kalınlığı.
Güç cihazının alanı ve konumu ve ısı üreten herhangi bir yardımcı sürücü devresi.
Güç kaynağı yapısının kalınlığı (silikon çipteki dağılım).
Silikon çipin açıkta kalan metal pedlere veya metal çıkıntılara bağlandığı kalıp bağlantısının alanı ve kalınlığı. Kalıp bağlantı malzemesinin hava boşluğu yüzdesini içerebilir.
Açıkta kalan metal pedlerin veya metal tümseklerin birleşiminin alanı ve kalınlığı.
Bağlantı kablosunun kalıp malzemesini ve paket boyutunu kullanın.
Modelde kullanılan her malzemenin ısıl iletkenlik özellikleri sağlanmalıdır. Bu veri girişi ayrıca, özellikle aşağıdakileri içeren tüm ısı iletim özelliklerinde sıcaklığa bağlı değişiklikleri içerir:
Silikon çip termal iletkenliği
Kalıp bağlantısı, kalıp malzemesinin ısıl iletkenliği
Metal pedlerin veya metal tümseklerin birleştiği yerde termal iletkenlik.
Paket ürün ve PCB arasındaki etkileşim
Isı yayılım simülasyonunun en önemli parametrelerinden biri, pedden ısı emici malzemeye olan termal direnci belirlemektir. Termal direnci belirleme yöntemleri aşağıdaki gibidir:
Çok katmanlı FR4 devre kartı (yaygın olarak kullanılan dört katmanlı ve altı katmanlı devre kartlarıdır)
Tek uçlu devre kartı
Üst ve alt devre kartları
Isı dağılımı ve termal direnç yolları, farklı uygulama yöntemlerine göre değişiklik gösterir:
Dahili ısı emici panelinin ısı dağıtma pedine veya çıkıntının birleşim noktasındaki ısı dağıtma deliğine bağlayın. Açıkta kalan termal pedi veya çarpma bağlantısını PCB'nin üst katmanına bağlamak için lehim kullanın.
Modülün' metal kasasına bağlı genişletilmiş ısı emici tabanına bağlanabilen, açıkta kalan termal pedin veya çarpma bağlantısının altındaki PCB üzerinde bir açıklık.
Isı emiciyi, metal kabuğun PCB'sinin üst veya alt bakır tabakasındaki ısı emiciye bağlamak için metal vidalar kullanın. Açıkta kalan termal pedi veya çarpma bağlantısını PCB'nin üst katmanına bağlamak için lehim kullanın.
Ayrıca PCB'nin her katmanında kullanılan bakır kaplamanın ağırlığı veya kalınlığı çok önemlidir. Termal direnç analizi açısından, maruz kalan pedlere veya tümseklere bağlı katmanlar bu parametreden doğrudan etkilenir. Genel olarak konuşursak, bunlar çok katmanlı baskılı devre kartındaki üst, ısı emici ve alt katmanlardır.
Çoğu uygulamada, iki ons bakır (2 ons bakır=2,8 mil veya 71 µm) dış katman ve 1 ons bakır (1 ons bakır=1,4 mil veya 35 µm) iç katman olabilir veya tümü olabilir. 1 ons ağır bakır kaplı tabaka. Tüketici elektroniği uygulamalarında, bazı uygulamalar 0,5 ons bakır (0,5 ons bakır=0,7 mil veya 18 µm) katmanı bile kullanır.
