منبع تغذیه خنک کننده برای بهینه سازی عملکرد برق و هزینه
هنگامی که گرمای سیستم محصول افزایش می یابد، مصرف برق سیستم به طور تصاعدی افزایش می یابد. به این ترتیب هنگام طراحی سیستم منبع تغذیه راه حلی با جریان بیشتر انتخاب می شود و این امر ناگزیر منجر به افزایش هزینه می شود. تا حدی، هزینه به صورت تصاعدی افزایش خواهد یافت.
شبیه‌سازی حرارتی بخش مهمی از توسعه محصولات قدرت و ارائه دستورالعمل‌های مواد محصول است. بهینه سازی اندازه ماژول روند توسعه طراحی تجهیزات ترمینال است که باعث تبدیل مدیریت اتلاف گرما از سینک حرارتی فلزی به لایه مسی PCB می شود. امروزه برخی از ماژول ها از فرکانس های سوئیچینگ پایین تری برای منابع تغذیه حالت سوئیچ و قطعات غیرفعال بزرگ استفاده می کنند. برای تبدیل ولتاژ و جریان ساکن مدار داخلی راندمان تنظیم کننده خطی نسبتا کم است.
همانطور که عملکردها فراوان تر می شوند، عملکرد بالاتر و بالاتر می شود و طراحی دستگاه به طور فزاینده ای فشرده می شود. در این زمان، شبیه سازی اتلاف حرارت در سطح IC و سطح سیستم بسیار مهم می شود.
دمای محیط کار در برخی از برنامه ها 70 تا 125 درجه سانتیگراد است و دمای برخی از کاربردهای خودروهای سایز حتی تا 140 درجه سانتیگراد است. برای این برنامه ها، عملکرد بدون وقفه سیستم بسیار مهم است. هنگام بهینه‌سازی طرح‌های الکترونیکی، آنالیز حرارتی دقیق تحت بدترین سناریوهای گذرا و استاتیک برای دو نوع کاربرد بالا اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند.
1. مدیریت حرارتی
دشواری مدیریت اتلاف گرما کاهش اندازه بسته بندی در حین دستیابی به عملکرد اتلاف حرارت بالاتر، دمای محیط کار بالاتر و بودجه لایه اتلاف حرارت مس کمتر است. راندمان بسته بندی بالا منجر به غلظت بالاتر اجزای تولید کننده گرما می شود و در نتیجه شار حرارتی بسیار بالایی در سطح IC و سطح بسته ایجاد می کند.
عواملی که باید در سیستم در نظر گرفته شوند شامل سایر دستگاه های برق برد مدار چاپی است که ممکن است بر دمای دستگاه تجزیه و تحلیل، فضای سیستم و طراحی/محدودیت های جریان هوا تأثیر بگذارد. سه سطح مدیریت حرارتی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از: پکیج، برد مدار و سیستم
مسیر معمولی انتقال حرارت در بسته آی سی
هزینه کم، ضریب فرم کوچک، ادغام ماژول و قابلیت اطمینان بسته چندین جنبه هستند که باید هنگام انتخاب بسته مورد توجه قرار گیرند. همانطور که هزینه به یک ملاحظات کلیدی تبدیل می شود، بسته های افزایش اتلاف گرما مبتنی بر قاب های سربی به طور فزاینده ای محبوب می شوند.
این نوع پکیج شامل هیت سینک تعبیه شده یا پد در معرض و بسته نوع تراشه خیساندن است که برای بهبود عملکرد اتلاف گرما طراحی شده است. در برخی از بسته‌های نصب سطحی، برخی از قاب‌های سربی اختصاصی چندین سرب را در هر طرف بسته جوش می‌دهند تا به عنوان پخش کننده حرارت عمل کنند. این روش مسیر اتلاف حرارت بهتری را برای انتقال حرارت پد قالب فراهم می کند.
2. شبیه سازی اتلاف حرارت IC و بسته
آنالیز حرارتی نیازمند مدل‌های دقیق و دقیق محصول تراشه سیلیکونی و خواص حرارتی مسکن است. تامین کنندگان نیمه هادی خواص مکانیکی و بسته بندی اتلاف حرارت IC تراشه سیلیکونی را ارائه می دهند، در حالی که سازندگان تجهیزات اطلاعاتی در مورد مواد ماژول ارائه می دهند. کاربران محصول اطلاعاتی در مورد محیط استفاده ارائه می دهند.
این تجزیه و تحلیل به طراحان آی سی کمک می کند تا اندازه FET توان را برای بدترین حالت مصرف برق در حالت های عملیاتی گذرا و استاتیک بهینه کنند. در بسیاری از آی سی های الکترونیکی قدرت، FET قدرت بخش قابل توجهی از منطقه قالب را اشغال می کند. تجزیه و تحلیل حرارتی به طراحان کمک می کند تا طرح های خود را بهینه کنند.
بسته انتخابی عموماً بخشی از فلز را در معرض دید قرار می دهد تا یک مسیر امپدانس اتلاف حرارت کم از تراشه سیلیکونی تا سینک حرارتی فراهم کند. پارامترهای کلیدی مورد نیاز مدل به شرح زیر است:
نسبت ابعاد تراشه سیلیکونی و ضخامت تراشه.
مساحت و محل دستگاه قدرت و هر مدار محرک کمکی که گرما تولید می کند.
ضخامت ساختار منبع تغذیه (پراکندگی در تراشه سیلیکون).
ناحیه و ضخامت اتصال قالب که در آن تراشه سیلیکونی به پدهای فلزی یا برجستگی های فلزی در معرض دید متصل می شود. ممکن است شامل درصد شکاف هوای مواد اتصال قالب باشد.
مساحت و ضخامت محل اتصال لنت های فلزی یا برجستگی های فلزی در معرض دید.
از مواد قالب و اندازه بسته بندی سرب اتصال استفاده کنید.
خواص هدایت حرارتی هر ماده مورد استفاده در مدل باید ارائه شود. این ورودی داده همچنین شامل تغییرات وابسته به دما در تمام خواص هدایت حرارتی است که به طور خاص شامل موارد زیر است:
رسانایی حرارتی تراشه سیلیکونی
اتصال قالب، هدایت حرارتی مواد قالب
هدایت حرارتی در محل اتصال لنت های فلزی یا برجستگی های فلزی.
تعامل بین محصول بسته و PCB
یکی از مهمترین پارامترهای شبیه سازی اتلاف حرارت، تعیین مقاومت حرارتی از پد به مواد هیت سینک است. روش های تعیین مقاومت حرارتی به شرح زیر است:
برد مدار چند لایه FR4 (معمولاً برد مدارهای چهار لایه و شش لایه استفاده می شود)
برد مدار تک سر
برد مدار بالا و پایین
مسیرهای اتلاف گرما و مقاومت حرارتی با توجه به روش‌های مختلف اجرا متفاوت است:
به پد اتلاف حرارت پانل هیت سینک داخلی یا سوراخ دفع گرما در محل اتصال برآمدگی وصل کنید. از لحیم کاری برای اتصال پد حرارتی یا اتصال ضربه‌ای به لایه بالایی PCB استفاده کنید.
یک سوراخ بر روی PCB در زیر پد حرارتی یا اتصال ضربه‌ای در معرض، که می‌تواند به پایه هیت سینک گسترده متصل به پوشش فلزی ماژول'؛ متصل شود.
از پیچ های فلزی برای اتصال هیت سینک به هیت سینک روی لایه مسی بالایی یا پایینی PCB پوسته فلزی استفاده کنید. از لحیم کاری برای اتصال پد حرارتی یا اتصال ضربه‌ای به لایه بالایی PCB استفاده کنید.
علاوه بر این، وزن یا ضخامت پوشش مسی مورد استفاده در هر لایه PCB بسیار حیاتی است. از نظر آنالیز مقاومت حرارتی، لایه های متصل به پدها یا برجستگی های در معرض دید مستقیماً تحت تأثیر این پارامتر قرار می گیرند. به طور کلی، اینها لایه های بالایی، هیت سینک و پایینی در یک برد مدار چاپی چند لایه هستند.
در اکثر کاربردها، می‌تواند یک لایه خارجی مس دو اونس (2 اونس مس=2.8 میل یا 71 میکرومتر) و یک لایه داخلی مس 1 اونس (1 اونس مس=1.4 میل یا 35 میکرومتر) باشد، یا همه اینها هستند. 1 اونس لایه روکش مس سنگین. در کاربردهای الکترونیک مصرفی، برخی از برنامه ها حتی از لایه 0.5 اونس مس (0.5 اونس مس=0.7 میل یا 18 میکرومتر) استفاده می کنند.
