Resfriamento da fonte de alimentação para otimizar o desempenho e custo de energia
Quando o calor do sistema de produto aumenta, o consumo de energia do sistema aumentará exponencialmente. Desta forma, ao projetar o sistema de alimentação, será escolhida uma solução com maior corrente, o que inevitavelmente levará a um aumento de custo. Até certo ponto, o custo aumentará exponencialmente.
A simulação térmica é uma parte importante do desenvolvimento de produtos de energia e do fornecimento de orientações sobre materiais de produtos. Otimizar o tamanho do módulo é a tendência de desenvolvimento do design do equipamento terminal, que traz a conversão do gerenciamento da dissipação de calor do dissipador de calor de metal para a camada de cobre do PCB. Alguns módulos hoje usam frequências de chaveamento mais baixas para fontes de alimentação comutadas e grandes componentes passivos. Para a conversão de tensão e a corrente quiescente conduzindo o circuito interno, a eficiência do regulador linear é relativamente baixa.
À medida que as funções se tornam mais abundantes, o desempenho torna-se cada vez mais alto e o design do dispositivo torna-se cada vez mais compacto. Neste momento, a simulação da dissipação de calor no nível do IC e no nível do sistema torna-se muito importante.
A temperatura ambiente de trabalho de algumas aplicações é de 70 a 125 ° C, e a temperatura de algumas aplicações automotivas do tamanho de matrizes chega a 140 ° C. Para essas aplicações, a operação ininterrupta do sistema é muito importante. Ao otimizar projetos eletrônicos, a análise térmica precisa sob os cenários de pior caso transiente e estático para os dois tipos de aplicações acima está se tornando cada vez mais importante.
1. Gerenciamento térmico
A dificuldade de gerenciamento da dissipação de calor é reduzir o tamanho da embalagem, ao mesmo tempo em que se obtém maior desempenho de dissipação de calor, maior temperatura do ambiente de trabalho e menor orçamento de camada de dissipação de calor de cobre. A alta eficiência do empacotamento resultará em uma concentração mais alta de componentes geradores de calor, resultando em fluxos de calor extremamente altos no nível do IC e no nível do pacote.
Os fatores que precisam ser considerados no sistema incluem outros dispositivos de alimentação da placa de circuito impresso que podem afetar a temperatura do dispositivo de análise, o espaço do sistema e o projeto / restrições do fluxo de ar. Os três níveis de gerenciamento térmico a serem considerados são: pacote, placa de circuito e sistema
Caminho de transferência de calor típico no pacote IC
Baixo custo, formato pequeno, integração de módulo e confiabilidade do pacote são vários aspectos que precisam ser considerados ao escolher um pacote. À medida que o custo se torna uma consideração importante, os pacotes de aprimoramento da dissipação de calor baseados em estruturas de chumbo estão se tornando cada vez mais populares.
Este tipo de pacote inclui dissipador de calor embutido ou almofada exposta e pacote do tipo chip de imersão, que é projetado para melhorar o desempenho de dissipação de calor. Em alguns pacotes de montagem em superfície, algumas estruturas de chumbo dedicadas soldam vários terminais em cada lado do pacote para funcionar como um dissipador de calor. Este método fornece um caminho de dissipação de calor melhor para a transferência de calor da almofada da matriz.
2. IC e simulação de dissipação de calor do pacote
A análise térmica requer modelos de produto de chip de silício detalhados e precisos e propriedades térmicas do invólucro. Os fornecedores de semicondutores fornecem propriedades mecânicas e embalagem de dissipação de calor de chip de silício IC, enquanto os fabricantes de equipamentos fornecem informações sobre os materiais dos módulos. Os usuários do produto fornecem informações sobre o ambiente de uso.
Essa análise ajuda os projetistas de IC a otimizar o tamanho do FET de energia para o pior caso de consumo de energia nos modos de operação estático e transiente. Em muitos CIs eletrônicos de potência, o FET de potência ocupa uma parte considerável da área da matriz. A análise térmica ajuda os projetistas a otimizar seus projetos.
O pacote selecionado geralmente expõe parte do metal para fornecer um caminho de baixa impedância de dissipação de calor do chip de silício para o dissipador de calor. Os principais parâmetros exigidos pelo modelo são os seguintes:
Relação de aspecto do tamanho do chip de silício e espessura do chip.
A área e localização do dispositivo de alimentação e quaisquer circuitos de acionamento auxiliares que geram calor.
A espessura da estrutura da fonte de alimentação (a dispersão no chip de silício).
A área e a espessura da conexão da matriz onde o chip de silício é conectado às almofadas de metal expostas ou saliências de metal. Pode incluir a porcentagem do entreferro do material de conexão da matriz.
A área e a espessura da junção de almofadas de metal expostas ou saliências de metal.
Use o material do molde e o tamanho da embalagem do cabo de conexão.
As propriedades de condutividade térmica de cada material usado no modelo devem ser fornecidas. Esta entrada de dados também inclui mudanças dependentes da temperatura em todas as propriedades de condução de calor, que incluem especificamente:
Condutividade térmica do chip de silício
Conexão da matriz, condutividade térmica do material do molde
Condutividade térmica na junção de almofadas de metal ou saliências de metal.
Interação entre o produto do pacote e PCB
Um dos parâmetros mais importantes da simulação de dissipação de calor é determinar a resistência térmica da almofada ao material do dissipador de calor. Os métodos para determinar a resistência térmica são os seguintes:
Placa de circuito FR4 multicamadas (comumente usadas são placas de circuito de quatro e seis camadas)
Placa de circuito de terminação única
Placas de circuito superior e inferior
Os caminhos de dissipação de calor e resistência térmica variam de acordo com diferentes métodos de implementação:
Conecte à almofada de dissipação de calor do painel do dissipador de calor interno ou ao orifício de dissipação de calor na junção da saliência. Use solda para conectar a almofada térmica exposta ou conexão de impacto à camada superior do PCB.
Uma abertura no PCB abaixo da almofada térmica exposta ou conexão de relevo, que pode ser conectada à base do dissipador de calor estendida conectada ao invólucro de metal do módulo&nº 39;
Use parafusos de metal para conectar o dissipador de calor ao dissipador de calor na camada de cobre superior ou inferior do PCB do invólucro de metal. Use solda para conectar a almofada térmica exposta ou conexão de impacto à camada superior do PCB.
Além disso, o peso ou a espessura do revestimento de cobre usado em cada camada do PCB é muito crítico. Em termos de análise de resistência térmica, as camadas conectadas às almofadas expostas ou saliências são afetadas diretamente por este parâmetro. De modo geral, essas são as camadas superior, dissipador de calor e inferior de uma placa de circuito impresso multicamada.
Na maioria das aplicações, pode ser uma camada externa de cobre de duas onças (2 onças de cobre=2,8 mils ou 71 µm) e uma camada interna de cobre de 1 onça (1 onça de cobre=1,4 mils ou 35 µm), ou todas são Camada revestida de cobre pesado de 1 onça. Em aplicações de eletrônicos de consumo, algumas aplicações usam até 0,5 onças de cobre (0,5 onças de cobre=0,7 mils ou 18 µm) de camada.
