Kuinka optimoida piirin suorituskyky ja virtalähteen jäähdytyksen kustannukset

Tuotejärjestelmän lämmön kasvaessa järjestelmän tehonkulutus kasvaa eksponentiaalisesti, joten sähköjärjestelmää suunniteltaessa valitaan suuremmalla virralla oleva ratkaisu, joka väistämättä johtaa kustannusten nousuun. Tietyssä vaiheessa kustannukset kasvavat eksponentiaalisesti. Haluan jakaa kanssasi artikkelin virtalähteen jäähdytyksen suunnittelusta ja simuloinnista.

Lämpösimulaatio on tärkeä osa tehotuotteiden kehittämistä ja tuotemateriaalien ohjeistusta. Moduulin muotokertoimen optimointi on päätelaitteiden suunnittelun kehitystrendi, joka tuo esiin ongelman siirtyä metallisista jäähdytyslevyistä piirilevyjen kuparikerroksen lämmönhallintaan. Jotkut tämän päivän moduuleista käyttävät matalampia kytkentätaajuuksia hakkuriteholähteissä ja suurissa passiivisissa komponenteissa. Lineaariset säätimet ovat vähemmän tehokkaita jännitteen muunnoksissa ja lepotilassa, jotka ohjaavat sisäisiä piirejä.

Kun laitemalleista tulee entistä monipuolisempia, suorituskykyä parantavia ja laitemalleista tulee kompakteja, lämpösimulaatio IC-tasolla ja järjestelmätasolla tulee kriittiseksi.

Jotkut sovellukset toimivat ympäristön lämpötiloissa 70-125 astetta, ja jotkin muottikokoiset autoteollisuuden sovellukset voivat saavuttaa jopa 140 asteen lämpötiloja, joissa järjestelmän keskeytymätön toiminta on tärkeää. Tarkka transientti ja staattinen pahimman tapauksen lämpöanalyysi molemmissa sovelluksissa on yhä tärkeämpää optimoitaessa elektroniikkasuunnittelua.

Lämmönhallinta

Lämmönhallinnan haasteena on pienentää pakkauksen kokoa samalla kun saavutetaan parempi lämpöteho, korkeampi käyttöympäristön lämpötila ja pienempi budjetti kuparilämpökerroksille. Korkea pakkaustehokkuus johtaa korkeaan lämpöä tuottavien komponenttien pitoisuuteen, mikä johtaa erittäin suuriin lämpövuosiin IC- ja pakkaustasoilla.

Järjestelmässä huomioitavia tekijöitä ovat eräät muut painetun piirilevyn teholaitteet, jotka voivat vaikuttaa analyysilaitteen lämpötilaan, järjestelmätilaan ja ilmavirran suunnitteluun/rajoituksiin. Lämmönhallinnassa on otettava huomioon kolme tekijää: pakkaus, kartonki ja järjestelmä

Alhaiset kustannukset, pieni muoto, moduulien integrointi ja paketin luotettavuus ovat muutamia näkökohtia, jotka on otettava huomioon pakettia valittaessa. Kun kustannuksista tulee avaintekijä, johtokehykseen perustuvat lämpötehostepaketit ovat yleistymässä. Tämä paketti sisältää upotetut jäähdytyslevyt tai paljaat tyynyt ja lämmönlevitintyyppiset paketit, jotka on suunniteltu parantamaan lämpötehoa. Joissakin pinta-asennuspakkauksissa erityisissä lyijykehyksissä on useita johtoja, jotka on sulatettu pakkauksen kummallekin puolelle toimimaan lämmönlevittiminä. Tämä lähestymistapa tarjoaa paremman lämmönpoistoreitin lämmönsiirrolle muottityynystä.

IC ja Package Thermal Simulation

Lämpöanalyysi vaatii yksityiskohtaisia ​​ja tarkkoja piimuottituotteiden malleja ja kotelon lämpöominaisuuksia. Puolijohdetoimittajat tarjoavat pii-IC:n lämpömekaaniset ominaisuudet ja pakkaukset, kun taas laitevalmistajat tarjoavat tietoa moduulien materiaaleista. Tuotteen käyttäjät antavat käyttöympäristötiedot.

Tämä analyysi auttaa IC-suunnittelijoita optimoimaan teho-FET-mitat pahimman tapauksen tehohäviötä varten transientti- ja lepotilassa. Monissa tehoelektroniikan IC:issä teho-FETit vievät merkittävän osan muottialueesta. Lämpöanalyysi auttaa suunnittelijoita optimoimaan suunnittelunsa.

Valittu pakkaus paljastaa tyypillisesti osan metallista alhaisen lämpöimpedanssin reitin aikaansaamiseksi piisuuttimesta jäähdytyselementtiin. Mallin edellyttämät keskeiset parametrit ovat seuraavat:

Piimuotin koon sivusuhde ja muotin paksuus.

Teholaitteen alue ja sijainti sekä mahdolliset lämpöä tuottavat apuohjainpiirit.

Tehorakenteen paksuus (dispersio piisirun sisällä).

Suulakkeen liitosalue ja paksuus, jossa piisuulake on liitetty paljaisiin metallityynyihin tai metallikuppiin. Saattaa sisältää stanssausmateriaalin ilmarakoprosenttiosuuden.

Paljastuneen metallityynyn tai metallisen nystyliitoksen pinta-ala ja paksuus.

Pakkauskoko muovausmateriaalia ja liitäntäjohtoja käyttäen.

Jokaisen mallissa käytetyn materiaalin lämmönjohtavuusominaisuudet vaaditaan. Tämä tietosyöte sisältää myös lämpötilasta riippuvat muutokset kaikissa lämmönsiirtoominaisuuksissa, mukaan lukien:

Piisirun lämmönjohtavuus

Muottiliittimen, muovausmateriaalin lämmönjohtavuus

Lämmönjohtavuus metallipehmusteiden tai metallikuppien liitännässä.

Paketin tyyppi (packageproduct) ja PCB-vuorovaikutus

Tärkeä parametri lämpösimulaatiossa on määrittää tyynyn ja jäähdytyselementin materiaalin välinen lämpövastus, joka voidaan määrittää seuraavilla tavoilla:

Monikerroksiset FR4-levyt (neli- ja kuusikerroksiset levyt ovat yleisiä)

yksipäinen piirilevy

Ylä- ja alalaudat

Lämpö- ja lämpövastuspolut vaihtelevat toteutuksen mukaan:

Yhdistä sisäisen jäähdytyselementin paneelin lämpötyynyihin tai lämpöläpivienteihin iskuliitännöissä. Käytä juotetta liittääksesi paljaat lämpötyynyt tai iskuliitännät piirilevyn yläkerrokseen.

Piirilevyssä oleva aukko esillä olevan lämpötyynyn tai nystyliittimen alapuolella, joka voidaan liittää ulkonevan jäähdytyslevyn pohjaan, joka on kiinnitetty moduulin metallikoteloon.

Kiinnitä jäähdytyselementti metalliruuveilla metallikotelon piirilevyn ylä- tai alaosassa olevaan jäähdytyselementtiin. Käytä juotetta liittääksesi paljaan lämpötyynyn tai nystyliittimen piirilevyn yläkerrokseen.

Myös kussakin piirilevyn kerroksessa käytetyn kuparipinnoitteen paino tai paksuus on kriittinen. Lämpövastusanalyysiä varten tämä parametri vaikuttaa suoraan kerroksiin, jotka on liitetty paljaisiin tyyny- tai nystyliitäntöihin. Yleisesti ottaen tämä on monikerroksisen painetun piirilevyn ylä-, jäähdytyslevy- ja alakerros.

Useimmissa sovelluksissa tämä voi olla kahden unssin kuparia (2 unssia kuparia=2.8 mils tai 71 µm) ulkokerros ja 1 unssin kuparia (1 unssi kuparia=1.4 mils tai 35 µm) sisäkerros tai kaikki Molemmat ovat 1 unssin kuparikerroksia. Kulutuselektroniikkasovelluksissa jotkin käyttävät jopa {{10}},5 unssin kuparikerroksia (0,5 unssia kuparia=0.7 mil tai 18 µm).

Mallin tiedot

Suulakkeen lämpötilan simulointi vaatii IC-pohjapiirroksen, joka sisältää kaikki suulakkeen teho-FET:t ja niiden todelliset sijainnit pakkausjuottoohjeiden noudattamiseksi.

Kunkin FETin koko ja kuvasuhde ovat tärkeitä lämmönjakauman kannalta. Toinen tärkeä huomioitava tekijä on, käynnistetäänkö FETit samanaikaisesti vai peräkkäin. Mallin tarkkuus riippuu käytetyistä fysikaalisista tiedoista ja materiaaliominaisuuksista.

Mallin staattinen tai keskimääräinen tehoanalyysi vaatii lyhyen laskentaajan ja konvergenssi tapahtuu, kun korkein lämpötila on tallennettu.

Transienttianalyysi vaatii tehon ja ajan välistä dataa. Tallensimme tiedot paremmalla resoluutiolla kuin hakkurivirtalähteen tapauksessa, jotta pystymme tallentamaan tarkasti huippulämpötilan nousun nopeiden tehopulssien aikana. Tämä analyysi on tyypillisesti aikaa vievä ja vaatii enemmän tiedonsyöttöä kuin staattisen tehon simulaatiot.

Tämä malli simuloi epoksihuokosia muotin kiinnitysalueella tai pinnoituksen tyhjiä tiloja PCB-jäähdytyselementissä. Molemmissa tapauksissa epoksi-/pinnoitusaukot voivat vaikuttaa pakkauksen lämmönkestävyyteen

Lämpösimulaatio on tärkeä osa tehotuotteiden kehittämistä. Lisäksi se opastaa sinua lämpövastusparametrien asettamisessa piisirun FET-liitoksesta eri materiaalien toteutukseen tuotteeseen. Kun eri lämpövastuspolut on ymmärretty, monet järjestelmät voidaan optimoida kaikkiin sovelluksiin.

Sinda Thermal on ammattimainen lämpöasiantuntija, voimme tarjota asiakkaillemme optimoidun lämpösuunnittelun ja tarjota kilpailukykyisimmän hinnan ja laadukkaimmat jäähdytyslevyt maailmanlaajuisille asiakkaille. Jos sinulla on lämpövaatimuksia, ota rohkeasti yhteyttä.