Bộ cấp nguồn làm mát để tối ưu hóa hiệu suất và chi phí điện năng
Khi nhiệt lượng của hệ thống sản phẩm tăng lên thì công suất tiêu thụ của hệ thống sẽ tăng theo cấp số nhân. Theo cách này, khi thiết kế hệ thống cung cấp điện, giải pháp có dòng điện lớn hơn sẽ được lựa chọn, và điều này chắc chắn sẽ dẫn đến tăng giá thành. Ở một mức độ nhất định, chi phí sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
Mô phỏng nhiệt là một phần quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm điện và cung cấp các hướng dẫn về vật liệu sản phẩm. Tối ưu hóa kích thước của mô-đun là xu hướng phát triển của thiết kế thiết bị đầu cuối, mang lại sự chuyển đổi quản lý tản nhiệt từ tản nhiệt kim loại sang lớp đồng PCB. Một số mô-đun ngày nay sử dụng tần số chuyển mạch thấp hơn cho các nguồn cung cấp chế độ chuyển đổi và các thành phần thụ động lớn. Đối với việc chuyển đổi điện áp và dòng điện tĩnh dẫn động mạch bên trong, hiệu quả của bộ điều chỉnh tuyến tính là tương đối thấp.
Khi các chức năng ngày càng phong phú, hiệu suất ngày càng cao và thiết kế thiết bị ngày càng trở nên nhỏ gọn. Lúc này, mô phỏng tản nhiệt cấp IC và cấp hệ thống trở nên rất quan trọng.
Nhiệt độ môi trường làm việc của một số ứng dụng là 70 đến 125 ° C và nhiệt độ của một số ứng dụng ô tô cỡ khuôn thậm chí còn cao tới 140 ° C. Đối với các ứng dụng này, việc hệ thống hoạt động không bị gián đoạn là rất quan trọng. Khi tối ưu hóa các thiết kế điện tử, việc phân tích nhiệt chính xác trong các tình huống xấu nhất tạm thời và tĩnh cho hai loại ứng dụng trên ngày càng trở nên quan trọng.
1. Quản lý nhiệt
Khó khăn của việc quản lý tản nhiệt là giảm kích thước gói trong khi vẫn đạt được hiệu suất tản nhiệt cao hơn, nhiệt độ môi trường làm việc cao hơn và ngân sách lớp tản nhiệt bằng đồng thấp hơn. Hiệu suất đóng gói cao sẽ dẫn đến nồng độ các thành phần sinh nhiệt cao hơn, dẫn đến thông lượng nhiệt cực cao ở cấp vi mạch và cấp độ gói.
Các yếu tố cần được xem xét trong hệ thống bao gồm các thiết bị nguồn bảng mạch in khác có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ thiết bị phân tích, không gian hệ thống và thiết kế / hạn chế luồng không khí. Ba cấp độ quản lý nhiệt được xem xét là: gói, bảng mạch và hệ thống
Đường dẫn truyền nhiệt điển hình trong gói IC
Chi phí thấp, yếu tố hình thức nhỏ, tích hợp mô-đun và độ tin cậy của gói là một số khía cạnh cần được xem xét khi chọn gói. Khi chi phí trở thành một yếu tố quan trọng cần cân nhắc, các gói tăng cường tản nhiệt dựa trên khung chì ngày càng trở nên phổ biến.
Loại gói này bao gồm bộ tản nhiệt nhúng hoặc miếng đệm tiếp xúc và gói loại chip ngâm, được thiết kế để cải thiện hiệu suất tản nhiệt. Trong một số gói gắn kết bề mặt, một số khung chì chuyên dụng hàn một số dây dẫn trên mỗi mặt của gói để hoạt động như một bộ truyền nhiệt. Phương pháp này cung cấp một đường dẫn tản nhiệt tốt hơn cho quá trình truyền nhiệt của tấm khuôn.
2. Mô phỏng tản nhiệt IC và gói
Phân tích nhiệt yêu cầu mô hình sản phẩm chip silicon chi tiết và chính xác và các đặc tính nhiệt của vỏ. Các nhà cung cấp chất bán dẫn cung cấp các đặc tính cơ học và cách đóng gói vi mạch tản nhiệt chip silicon, trong khi các nhà sản xuất thiết bị cung cấp thông tin về vật liệu mô-đun. Người dùng sản phẩm cung cấp thông tin về môi trường sử dụng.
Phân tích này giúp các nhà thiết kế vi mạch tối ưu hóa kích thước của FET công suất cho mức tiêu thụ điện trong trường hợp xấu nhất ở các chế độ hoạt động tạm thời và tĩnh. Trong nhiều IC điện tử công suất, FET công suất chiếm một phần đáng kể diện tích khuôn. Phân tích nhiệt giúp các nhà thiết kế tối ưu hóa thiết kế của họ.
Gói được chọn thường để lộ một phần kim loại để cung cấp đường dẫn trở kháng tản nhiệt thấp từ chip silicon đến bộ tản nhiệt. Các thông số chính theo yêu cầu của mô hình như sau:
Tỷ lệ khung hình kích thước chip silicon và độ dày của chip.
Khu vực và vị trí của thiết bị nguồn và bất kỳ mạch truyền động phụ nào tạo ra nhiệt.
Độ dày của cấu trúc bộ nguồn (sự phân tán trong chip silicon).
Diện tích và độ dày của kết nối khuôn nơi chip silicon được kết nối với miếng kim loại tiếp xúc hoặc va chạm kim loại. Có thể bao gồm phần trăm khe hở không khí của vật liệu kết nối khuôn.
Diện tích và độ dày của phần tiếp giáp của miếng kim loại tiếp xúc hoặc va chạm kim loại.
Sử dụng vật liệu khuôn và kích thước gói của dây nối.
Các đặc tính dẫn nhiệt của từng vật liệu được sử dụng trong mô hình phải được cung cấp. Đầu vào dữ liệu này cũng bao gồm các thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ trong tất cả các đặc tính dẫn nhiệt, cụ thể bao gồm:
Độ dẫn nhiệt của chip silicon
Kết nối khuôn, độ dẫn nhiệt của vật liệu khuôn
Tính dẫn nhiệt ở chỗ tiếp giáp của miếng kim loại hoặc va chạm kim loại.
Tương tác giữa gói sản phẩm và PCB
Một trong những thông số quan trọng nhất của mô phỏng tản nhiệt là xác định điện trở nhiệt từ tấm đệm đến vật liệu tản nhiệt. Các phương pháp xác định điện trở nhiệt như sau:
Bảng mạch FR4 nhiều lớp (thường được sử dụng là bảng mạch bốn lớp và sáu lớp)
Bảng mạch một đầu
Bảng mạch trên và dưới
Các đường dẫn tản nhiệt và điện trở nhiệt khác nhau tùy theo các phương pháp thực hiện khác nhau:
Kết nối với tấm tản nhiệt của tấm tản nhiệt bên trong hoặc lỗ tản nhiệt ở phần tiếp giáp của phần nhô ra. Sử dụng chất hàn để kết nối miếng đệm nhiệt tiếp xúc hoặc kết nối đệm với lớp trên cùng của PCB.
Một lỗ hở trên PCB bên dưới tấm tản nhiệt hoặc kết nối đệm tiếp xúc, có thể được kết nối với đế tản nhiệt mở rộng được kết nối với vỏ kim loại của mô-đun'
Sử dụng vít kim loại để kết nối tản nhiệt với tản nhiệt trên lớp đồng trên cùng hoặc dưới cùng của PCB của vỏ kim loại. Sử dụng chất hàn để kết nối miếng đệm nhiệt tiếp xúc hoặc kết nối đệm với lớp trên cùng của PCB.
Ngoài ra, trọng lượng hoặc độ dày của lớp mạ đồng được sử dụng trên mỗi lớp của PCB là rất quan trọng. Về mặt phân tích điện trở nhiệt, các lớp kết nối với các miếng đệm tiếp xúc hoặc va đập bị ảnh hưởng trực tiếp bởi thông số này. Nói chung, đây là các lớp trên cùng, tản nhiệt và dưới cùng trong một bảng mạch in nhiều lớp.
Trong hầu hết các ứng dụng, nó có thể là lớp bên ngoài đồng 2 ounce (2 ounce đồng=2,8 triệu hoặc 71 µm) và lớp bên trong bằng đồng 1 ounce (1 ounce đồng=1,4 triệu hoặc 35 µm), hoặc tất cả đều là Lớp mạ đồng nặng 1 ounce. Trong các ứng dụng điện tử tiêu dùng, một số ứng dụng thậm chí còn sử dụng lớp đồng 0,5 ounce (0,5 ounce đồng=0,7 mils hoặc 18 µm).
