Como otimizar o desempenho do circuito e o custo do resfriamento da fonte de alimentação
Quando o calor do sistema do produto aumenta, o consumo de energia do sistema aumentará exponencialmente; portanto, ao projetar o sistema de energia, será selecionada uma solução com uma corrente maior, o que inevitavelmente levará a um aumento no custo. A certa altura, o custo aumenta exponencialmente. Deixe-me compartilhar com você um artigo sobre projeto e simulação de resfriamento de fontes de alimentação.
A simulação térmica é uma parte importante do desenvolvimento de produtos de energia e fornece diretrizes para materiais de produtos. A otimização do fator de forma do módulo é uma tendência de desenvolvimento no projeto de equipamentos terminais, que traz o problema de mudar de dissipadores de calor de metal para gerenciamento térmico de camada de cobre PCB. Alguns dos módulos atuais usam frequências de chaveamento mais baixas para fontes de alimentação chaveadas e grandes componentes passivos. Reguladores lineares são menos eficientes para translação de tensão e correntes quiescentes que acionam circuitos internos.
À medida que os designs de dispositivos se tornam mais ricos em recursos e aprimorados de desempenho e os designs de dispositivos se tornam mais compactos, a simulação térmica no nível do IC e no nível do sistema torna-se crítica.
Algumas aplicações operam em temperaturas ambiente de 70 a 125 graus, e algumas aplicações automotivas podem atingir temperaturas de até 140 graus, onde a operação ininterrupta do sistema é importante. A análise térmica precisa do pior caso transiente e estático para ambos os tipos de aplicações está se tornando cada vez mais importante ao otimizar projetos eletrônicos.
Gerenciamento termal
O desafio do gerenciamento térmico é reduzir o tamanho da embalagem e, ao mesmo tempo, obter maior desempenho térmico, maior temperatura ambiente de operação e menor orçamento para camadas térmicas de cobre. A alta eficiência da embalagem resultará em uma alta concentração de componentes geradores de calor, resultando em fluxos de calor extremamente altos nos níveis de IC e embalagem.
Os fatores a serem considerados no sistema incluem alguns outros dispositivos de alimentação da placa de circuito impresso que podem afetar a temperatura do dispositivo de análise, o espaço do sistema e o design/limitações do fluxo de ar. Há três fatores a serem considerados no gerenciamento térmico: pacote, placa e sistema
Baixo custo, fator de forma pequeno, integração de módulo e confiabilidade do pacote são alguns aspectos a serem considerados ao escolher um pacote. À medida que o custo se torna uma consideração importante, os pacotes termicamente aprimorados baseados em leadframe estão ganhando popularidade. Este pacote inclui dissipador de calor embutido ou almofada exposta e pacotes do tipo dissipador de calor projetados para melhorar o desempenho térmico. Em alguns pacotes de montagem em superfície, estruturas de chumbo especiais têm vários condutores fundidos em cada lado do pacote para atuar como dissipadores de calor. Essa abordagem fornece um melhor caminho de dissipação de calor para transferência de calor da almofada de matriz.
IC e Simulação Térmica de Embalagem
A análise térmica requer modelos de produtos de matriz de silício detalhados e precisos e propriedades térmicas do invólucro. Os fornecedores de semicondutores fornecem propriedades mecânicas térmicas e embalagens de IC de silício, enquanto os fabricantes de equipamentos fornecem informações sobre materiais de módulos. Os usuários do produto fornecem informações sobre o ambiente de uso.
Essa análise ajuda os projetistas de IC a otimizar as dimensões do FET de potência para dissipação de potência no pior caso em modos de operação transitórios e inativos. Em muitos CIs de eletrônica de potência, os FETs de potência ocupam uma parte significativa da área da matriz. A análise térmica ajuda os projetistas a otimizar seus projetos.
A embalagem escolhida normalmente expõe parte do metal para fornecer um caminho de baixa impedância térmica da matriz de silício para o dissipador de calor. Os principais parâmetros exigidos pelo modelo são os seguintes:
Proporção do tamanho da matriz de silício e espessura da matriz.
Área e localização do dispositivo de alimentação e quaisquer circuitos de acionamento auxiliares que gerem calor.
Espessura da estrutura de energia (dispersão dentro do chip de silício).
A área de conexão da matriz e a espessura onde a matriz de silício é conectada a almofadas de metal expostas ou saliências de metal. Pode incluir a porcentagem de entreferro do material de fixação da matriz.
A área e a espessura da almofada de metal exposta ou da conexão de ressalto de metal.
Tamanho do pacote usando material de moldagem e cabos de conexão.
As propriedades de condutividade térmica para cada material usado no modelo são necessárias. Esta entrada de dados também inclui alterações dependentes da temperatura em todas as propriedades de transferência de calor, incluindo:
Condutividade térmica do chip de silício
Condutividade térmica do molde, material de moldagem
Condutividade térmica na conexão de almofadas de metal ou saliências de metal.
Tipo de pacote (packageproduct) e interação PCB
Um parâmetro crucial para a simulação térmica é determinar a resistência térmica da almofada ao material do dissipador de calor, que pode ser determinada das seguintes maneiras:
Placas FR4 multicamadas (placas de quatro e seis camadas são comuns)
placa de circuito single-ended
Placas superior e inferior
Os caminhos de resistência térmica e térmica variam de acordo com a implementação:
Conecte a almofadas térmicas no painel do dissipador de calor interno ou vias térmicas em conexões de relevo. Use solda para conectar almofadas térmicas expostas ou conexões de ressalto à camada superior do PCB.
Uma abertura na placa de circuito impresso abaixo da almofada térmica exposta ou conexão de ressalto que pode ser conectada à base do dissipador de calor saliente que está conectado ao invólucro de metal do módulo.
Use parafusos de metal para prender o dissipador de calor ao dissipador de calor na camada de cobre superior ou inferior do PCB da caixa de metal. Use solda para conectar a almofada térmica exposta ou conexão de ressalto à camada superior do PCB.
Além disso, o peso ou a espessura do revestimento de cobre usado em cada camada do PCB é crítico. Para análise de resistência térmica, as camadas conectadas a pads expostos ou conexões de ressalto são diretamente afetadas por este parâmetro. De um modo geral, essas são as camadas superior, dissipador de calor e inferior em uma placa de circuito impresso multicamada.
Na maioria das aplicações, pode ser uma camada externa de 2 onças de cobre (2 onças de cobre=2,8 mils ou 71 µm) e uma camada externa de 1 onça de cobre (1 onça de cobre=1,4 mils ou 35 µm) camada interna, ou todas as duas são camadas de cobre de 1 onça. Em aplicações de eletrônicos de consumo, alguns até usam camadas de {{1{12}}}}.5 oz de cobre (0,5 oz de cobre=0.7 mils ou 18 µm).
dados do modelo
A simulação da temperatura da matriz requer uma planta do IC que inclua todos os FETs de potência na matriz e suas localizações reais para atender às diretrizes de soldagem do pacote.
O tamanho e a proporção de cada FET são importantes para a distribuição térmica. Outro fator importante a considerar é se os FETs são ligados simultaneamente ou sequencialmente. A precisão do modelo depende dos dados físicos e das propriedades do material usado.
A análise de potência estática ou média do modelo requer um tempo de computação curto e a convergência ocorre quando a temperatura mais alta é registrada.
A análise transitória requer dados de energia versus tempo. Registramos os dados usando um passo de resolução melhor do que o caso da fonte de alimentação chaveada para capturar com precisão o aumento de temperatura de pico durante pulsos de energia rápidos. Essa análise geralmente consome tempo e requer mais entrada de dados do que simulações de potência estática.
Este modelo simula vazios de epóxi na área de fixação da matriz ou vazios de revestimento em um dissipador de calor de PCB. Em ambos os casos, os vazios de revestimento/epóxi podem afetar a resistência térmica da embalagem
A simulação térmica é uma parte importante do desenvolvimento de produtos de energia. Além disso, orienta você na configuração dos parâmetros de resistência térmica, desde a junção FET do chip de silício até a implementação de vários materiais no produto. Uma vez que os diferentes caminhos de resistência térmica são compreendidos, muitos sistemas podem ser otimizados para todas as aplicações.
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