Hvordan optimalisere kretsytelsen og kostnadene for strømforsyningskjøling
Når varmen til produktsystemet øker, vil strømforbruket til systemet øke eksponentielt, så ved utforming av kraftsystemet vil det velges en løsning med høyere strøm, noe som uunngåelig vil føre til en kostnadsøkning. På et visst tidspunkt øker kostnadene eksponentielt. La meg dele med deg en artikkel om design og simulering av strømforsyningskjøling.
Termisk simulering er en viktig del av å utvikle kraftprodukter og gi retningslinjer for produktmaterialer. Optimalisering av modulformfaktoren er en utviklingstrend innen terminalutstyrsdesign, som fører til problemet med å bytte fra metallkjøleribber til PCB-kobberlags termisk styring. Noen av dagens moduler bruker lavere svitsjefrekvenser for svitsjmodus-strømforsyninger og store passive komponenter. Lineære regulatorer er mindre effektive for spenningsoversettelse og hvilestrømmer som driver interne kretser.
Etter hvert som enhetsdesign blir mer funksjonsrike, ytelsesforbedrende og enhetsdesign blir mer kompakt, blir termisk simulering på IC-nivå og systemnivå kritisk.
Noen applikasjoner opererer ved omgivelsestemperaturer på 70 til 125 grader, og noen bilapplikasjoner i die-størrelse kan nå temperaturer så høye som 140 grader, der uavbrutt systemdrift er viktig. Nøyaktig transient og statisk worst-case termisk analyse for begge typer applikasjoner blir stadig viktigere ved optimalisering av elektronisk design.
Termisk styring
Utfordringen med termisk styring er å redusere pakkestørrelsen samtidig som man oppnår høyere termisk ytelse, høyere driftstemperatur og lavere budsjett for termiske kobberlag. Høy emballasjeeffektivitet vil resultere i en høy konsentrasjon av varmegenererende komponenter, noe som resulterer i ekstremt høye varmeflukser på IC- og pakkenivå.
Faktorer som bør vurderes i systemet inkluderer noen andre strømenheter for kretskort som kan påvirke analyseenhetens temperatur, systemplass og luftstrømdesign/begrensninger. Det er tre faktorer å vurdere i termisk styring: pakke, brett og system
Lave kostnader, liten formfaktor, modulintegrasjon og pakkepålitelighet er noen få aspekter du bør vurdere når du velger en pakke. Ettersom kostnadene blir en nøkkelfaktor, blir leadframe-baserte termisk forbedrede pakker stadig mer populære. Denne pakken inkluderer innebygde kjøleribber eller eksponerte puter og varmespredere pakker designet for å forbedre termisk ytelse. I noen overflatemonterte pakker har spesielle blyrammer flere ledninger smeltet sammen på hver side av pakken for å fungere som varmespredere. Denne tilnærmingen gir en bedre varmeavledningsbane for varmeoverføring fra dyseputen.
IC og pakke termisk simulering
Termisk analyse krever detaljerte og nøyaktige silisiumformede produktmodeller og innkapslings termiske egenskaper. Halvlederleverandører gir silisium IC termiske mekaniske egenskaper og emballasje, mens utstyrsprodusenter gir informasjon om modulmaterialer. Produktbrukere gir informasjon om bruksmiljø.
Denne analysen hjelper IC-designere med å optimalisere effekt-FET-dimensjonene for verstefalls-effekttap i transiente og stillegående driftsmoduser. I mange kraftelektronikk-ICer opptar kraft-FET-ene en betydelig del av dyseområdet. Termisk analyse hjelper designere med å optimalisere designene sine.
Pakken som velges eksponerer typisk noe av metallet for å gi en lav termisk impedansbane fra silisiumdysen til kjøleribben. De viktigste parametrene som kreves av modellen er som følger:
Størrelsesforhold for silisiumform og formtykkelse.
Strømenhetens område og plassering, og eventuelle hjelpedriverkretser som genererer varme.
Kraftstrukturtykkelse (spredning i silisiumbrikken).
Dysens tilkoblingsområde og tykkelse der silisiumdysen er koblet til utsatte metallputer eller metallhumper. Kan inkludere luftspalteprosent for dysefestemateriale.
Området og tykkelsen på den eksponerte metallputen eller metallstøtforbindelsen.
Pakkestørrelse ved bruk av støpemateriale og tilkoblingsledninger.
De termiske konduktivitetsegenskapene for hvert materiale som brukes i modellen er påkrevd. Denne datainngangen inkluderer også temperaturavhengige endringer i alle varmeoverføringsegenskaper, inkludert:
Silisiumbrikke termisk ledningsevne
Termisk ledningsevne av dysefeste, støpemateriale
Termisk ledningsevne ved tilkobling av metallputer eller metallhumper.
Pakketype (pakkeprodukt) og PCB-interaksjon
En avgjørende parameter for termisk simulering er å bestemme den termiske motstanden fra puten til kjøleribbematerialet, som kan bestemmes på følgende måter:
Flerlags FR4-plater (fire og seks-lags plater er vanlige)
ensidig kretskort
Topp- og bunnplater
Termiske og termiske motstandsbaner varierer etter implementering:
Koble til termiske puter på det interne kjøleribbepanelet eller termiske vias ved bump-tilkoblinger. Bruk loddetinn for å koble utsatte termiske puter eller støtforbindelser til det øverste laget av PCB.
En åpning i PCB under den eksponerte termiske puten eller bump-forbindelsen som kan kobles til bunnen av den utstikkende kjøleribben som er festet til modulens metallkapsling.
Bruk metallskruer for å feste kjøleribben til kjøleribben på det øvre eller nedre kobberlaget på PCB-en til metallhuset. Bruk loddetinn for å koble den eksponerte termiske puten eller bump-tilkoblingen til det øverste laget av PCB.
Vekten eller tykkelsen på kobberbelegget som brukes på hvert lag av PCB er også kritisk. For termisk motstandsanalyse påvirkes lag koblet til eksponerte puter eller bump-forbindelser direkte av denne parameteren. Generelt sett er dette topp-, kjøleribbe- og bunnlaget i et flerlags trykt kretskort.
I de fleste bruksområder kan dette være et ytre lag på 2 unse kobber (2 unse kobber=2.8 mils eller 71 µm) og et 1 unse kobber (1 unse kobber=1.4 mils eller 35 µm) indre lag, eller alle Begge er 1 oz kobberlag. I forbrukerelektronikkapplikasjoner bruker noen til og med {{10}}.5 oz kobber (0.5 oz kobber=0.7 mils eller 18 µm) lag.
Modelldata
Simulering av dysetemperaturen krever en IC-planløsning som inkluderer alle strøm-FET-ene på dysen og deres faktiske plasseringer for å overholde retningslinjene for pakkelodding.
Størrelsen og sideforholdet til hver FET er viktig for termisk fordeling. En annen viktig faktor å vurdere er om FET-ene slås på samtidig eller sekvensielt. Modellnøyaktighet avhenger av fysiske data og materialegenskaper som brukes.
Statisk eller gjennomsnittlig effektanalyse av modellen krever kort beregningstid og konvergens skjer når den høyeste temperaturen er registrert.
Transient analyse krever data fra kraft mot tid. Vi registrerte dataene ved å bruke et bedre oppløsningstrinn enn byttestrømforsyningshuset for nøyaktig å fange topptemperaturstigningen under raske strømpulser. Denne analysen er vanligvis tidkrevende og krever mer datainngang enn statiske strømsimuleringer.
Denne modellen simulerer epoksyhull i formfesteområdet, eller plettering av hulrom i en PCB-kjøleribbe. I begge tilfeller kan hulrom i epoksy/plettering påvirke pakkens termiske motstand
Termisk simulering er en viktig del av utviklingen av kraftprodukter. I tillegg guider den deg gjennom innstillingen av termiske motstandsparametere, fra FET-krysset til silisiumbrikken til implementeringen av ulike materialer i produktet. Når de forskjellige termiske motstandsbanene er forstått, kan mange systemer optimaliseres for alle bruksområder.
Sinda Thermal er profesjonell termisk ekspert, vi kan tilby den optimaliserte termiske designen for våre kunder, og tilby den mest konkurransedyktige prisen og høykvalitets kjøleribber for globale kunder. Hvis du har noen termiske krav, kan du gjerne kontakte oss.
