Refrigeración de la fuente de alimentación para optimizar el rendimiento y el costo de la energía
Cuando aumenta el calor del sistema del producto, el consumo de energía del sistema aumentará exponencialmente. De esta manera, al diseñar el sistema de suministro de energía, se seleccionará una solución con una corriente mayor, y esto conducirá inevitablemente a un aumento en el costo. Hasta cierto punto, el costo aumentará exponencialmente.
La simulación térmica es una parte importante del desarrollo de productos de energía y del suministro de pautas sobre los materiales del producto. La optimización del tamaño del módulo es la tendencia de desarrollo del diseño de equipos terminales, que provoca la conversión de la gestión de la disipación de calor del disipador de calor de metal a la capa de cobre de PCB. Actualmente, algunos módulos utilizan frecuencias de conmutación más bajas para fuentes de alimentación conmutadas y componentes pasivos grandes. Para la conversión de voltaje y la corriente de reposo que impulsa el circuito interno, la eficiencia del regulador lineal es relativamente baja.
A medida que las funciones se vuelven más abundantes, el rendimiento se vuelve cada vez más alto y el diseño del dispositivo se vuelve cada vez más compacto. En este momento, la simulación de disipación de calor a nivel de IC y a nivel de sistema se vuelve muy importante.
La temperatura del ambiente de trabajo de algunas aplicaciones es de 70 a 125 ° C, y la temperatura de algunas aplicaciones automotrices de tamaño de matriz es incluso tan alta como 140 ° C. Para estas aplicaciones, el funcionamiento ininterrumpido del sistema es muy importante. Al optimizar los diseños electrónicos, el análisis térmico preciso en el peor de los casos estáticos y transitorios para los dos tipos de aplicaciones anteriores es cada vez más importante.
1. Gestión térmica
La dificultad de la gestión de la disipación de calor es reducir el tamaño del paquete al tiempo que se logra un mayor rendimiento de disipación de calor, una temperatura del entorno de trabajo más alta y un presupuesto de capa de disipación de calor de cobre más bajo. Una alta eficiencia de empaque dará como resultado una mayor concentración de componentes generadores de calor, lo que dará como resultado flujos de calor extremadamente altos a nivel de IC y a nivel de empaque.
Los factores que deben tenerse en cuenta en el sistema incluyen otros dispositivos de alimentación de placa de circuito impreso que pueden afectar la temperatura del dispositivo de análisis, el espacio del sistema y el diseño / restricciones del flujo de aire. Los tres niveles de gestión térmica a considerar son: paquete, placa de circuito y sistema
Ruta típica de transferencia de calor en paquete IC
El bajo costo, el factor de forma pequeño, la integración de módulos y la confiabilidad del paquete son varios aspectos que deben tenerse en cuenta al elegir un paquete. A medida que el costo se convierte en una consideración clave, los paquetes de mejora de la disipación de calor basados en marcos de plomo se están volviendo cada vez más populares.
Este tipo de paquete incluye un disipador de calor integrado o una almohadilla expuesta y un paquete tipo chip de remojo, que está diseñado para mejorar el rendimiento de disipación de calor. En algunos paquetes de montaje en superficie, algunos marcos de cables dedicados sueldan varios cables en cada lado del paquete para que funcionen como un esparcidor de calor. Este método proporciona una mejor ruta de disipación de calor para la transferencia de calor de la almohadilla de matriz.
2. IC y simulación de disipación de calor del paquete
El análisis térmico requiere modelos de productos de chip de silicio detallados y precisos y propiedades térmicas de la carcasa. Los proveedores de semiconductores proporcionan propiedades mecánicas y empaquetado de disipación de calor de circuitos integrados de chips de silicio, mientras que los fabricantes de equipos brindan información sobre los materiales de los módulos. Los usuarios del producto proporcionan información sobre el entorno de uso.
Este análisis ayuda a los diseñadores de circuitos integrados a optimizar el tamaño del FET de energía para el peor consumo de energía en los modos de funcionamiento estático y transitorio. En muchos circuitos integrados de electrónica de potencia, el FET de potencia ocupa una parte considerable del área de la matriz. El análisis térmico ayuda a los diseñadores a optimizar sus diseños.
El paquete seleccionado generalmente expone parte del metal para proporcionar una trayectoria de impedancia de disipación de calor baja desde el chip de silicio hasta el disipador de calor. Los parámetros clave requeridos por el modelo son los siguientes:
Relación de aspecto del tamaño del chip de silicio y grosor del chip.
El área y ubicación del dispositivo de potencia y cualquier circuito de impulsión auxiliar que genere calor.
El grosor de la estructura de la fuente de alimentación (la dispersión en el chip de silicio).
El área y el grosor de la conexión de la matriz donde el chip de silicio está conectado a las almohadillas metálicas expuestas o protuberancias metálicas. Puede incluir el porcentaje del espacio de aire del material de conexión de la matriz.
El área y el grosor de la unión de almohadillas metálicas expuestas o protuberancias metálicas.
Utilice el material del molde y el tamaño del paquete del cable de conexión.
Se deben proporcionar las propiedades de conductividad térmica de cada material utilizado en el modelo. Esta entrada de datos también incluye cambios dependientes de la temperatura en todas las propiedades de conducción de calor, que incluyen específicamente:
Conductividad térmica del chip de silicio
Conexión de matriz, conductividad térmica del material del molde
Conductividad térmica en la unión de almohadillas metálicas o protuberancias metálicas.
Interacción entre producto envasado y PCB
Uno de los parámetros más importantes de la simulación de disipación de calor es determinar la resistencia térmica de la almohadilla al material del disipador de calor. Los métodos para determinar la resistencia térmica son los siguientes:
Placa de circuito FR4 multicapa (normalmente se utilizan placas de circuito de cuatro y seis capas)
Placa de circuito de un solo extremo
Placas de circuitos superior e inferior
Las rutas de disipación de calor y resistencia térmica varían según los diferentes métodos de implementación:
Conéctelo a la almohadilla de disipación de calor del panel del disipador de calor interno o al orificio de disipación de calor en la unión de la protuberancia. Use soldadura para conectar la almohadilla térmica expuesta o la conexión de golpe a la capa superior de la PCB.
Una abertura en el PCB debajo de la almohadilla térmica expuesta o la conexión de golpe, que se puede conectar a la base del disipador de calor extendido conectada a la carcasa metálica del módulo &.
Utilice tornillos de metal para conectar el disipador de calor al disipador de calor en la capa de cobre superior o inferior de la PCB de la carcasa metálica. Use soldadura para conectar la almohadilla térmica expuesta o la conexión de golpe a la capa superior de la PCB.
Además, el peso o el grosor del revestimiento de cobre utilizado en cada capa de la PCB es muy crítico. En términos de análisis de resistencia térmica, las capas conectadas a las almohadillas o protuberancias expuestas se ven directamente afectadas por este parámetro. En términos generales, estas son las capas superior, disipador de calor e inferior en una placa de circuito impreso multicapa.
En la mayoría de las aplicaciones, puede ser una capa exterior de cobre de dos onzas (2 onzas de cobre=2,8 milésimas de pulgada o 71 µm) y una capa interior de cobre de 1 onza (1 onza de cobre=1,4 milésimas de pulgada o 35 µm), o todas Capa de revestimiento de cobre pesado de 1 onza. En aplicaciones de electrónica de consumo, algunas aplicaciones incluso utilizan una capa de 0,5 onzas de cobre (0,5 onzas de cobre=0,7 milésimas de pulgada o 18 µm).
