So optimieren Sie die Schaltungsleistung und die Kosten für die Netzteilkühlung
Wenn die Wärme des Produktsystems zunimmt, steigt der Stromverbrauch des Systems exponentiell an, sodass bei der Auslegung des Stromversorgungssystems eine Lösung mit einem höheren Strom ausgewählt wird, was zwangsläufig zu einem Anstieg der Kosten führt. Ab einem bestimmten Punkt steigen die Kosten exponentiell an. Lassen Sie mich Ihnen einen Artikel über das Design und die Simulation von Netzteilkühlungen vorstellen.
Die thermische Simulation ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Energieprodukten und der Bereitstellung von Richtlinien für Produktmaterialien. Die Optimierung des Modulformfaktors ist ein Entwicklungstrend im Endgerätedesign, der das Problem der Umstellung von Metallkühlkörpern auf das Wärmemanagement von Leiterplatten mit Kupferschichten mit sich bringt. Einige der heutigen Module verwenden niedrigere Schaltfrequenzen für Schaltnetzteile und große passive Komponenten. Linearregler sind weniger effizient für die Spannungsumsetzung und Ruheströme, die interne Schaltungen treiben.
Da Gerätedesigns funktionsreicher, leistungssteigernder und kompakter werden, wird die thermische Simulation auf IC-Ebene und Systemebene entscheidend.
Einige Anwendungen werden bei Umgebungstemperaturen von 70 bis 125 Grad betrieben, und einige Automobilanwendungen in Chipgröße können Temperaturen von bis zu 140 Grad erreichen, bei denen ein unterbrechungsfreier Systembetrieb wichtig ist. Eine genaue transiente und statische Worst-Case-Thermoanalyse für beide Arten von Anwendungen wird bei der Optimierung elektronischer Designs immer wichtiger.
Thermisches Management
Die Herausforderung des Wärmemanagements besteht darin, die Gehäusegröße zu reduzieren und gleichzeitig eine höhere Wärmeleistung, eine höhere Betriebsumgebungstemperatur und ein geringeres Budget für thermische Kupferschichten zu erreichen. Eine hohe Packungseffizienz führt zu einer hohen Konzentration wärmeerzeugender Komponenten, was zu extrem hohen Wärmeflüssen auf IC- und Packungsebene führt.
Zu den im System zu berücksichtigenden Faktoren gehören einige andere Leistungsgeräte auf gedruckten Leiterplatten, die sich auf die Temperatur des Analysegeräts, den Systemraum und das Design/Einschränkungen des Luftstroms auswirken können. Beim Wärmemanagement sind drei Faktoren zu berücksichtigen: Gehäuse, Platine und System
Niedrige Kosten, kleiner Formfaktor, Modulintegration und Paketzuverlässigkeit sind einige Aspekte, die bei der Auswahl eines Pakets zu berücksichtigen sind. Da die Kosten zu einem Schlüsselfaktor werden, gewinnen Leadframe-basierte, thermisch verbesserte Gehäuse an Popularität. Dieses Paket umfasst eingebettete Kühlkörper oder freiliegende Pads und Wärmeverteiler-Typ-Pakete, die zur Verbesserung der thermischen Leistung entwickelt wurden. Bei einigen oberflächenmontierten Gehäusen haben spezielle Leiterrahmen mehrere Leitungen, die mit jeder Seite des Gehäuses verschmolzen sind, um als Wärmeverteiler zu wirken. Dieser Ansatz stellt einen besseren Wärmeableitungsweg für die Wärmeübertragung von dem Chipfeld bereit.
Thermische IC- und Package-Simulation
Die thermische Analyse erfordert detaillierte und genaue Siliziumchip-Produktmodelle und thermische Eigenschaften des Gehäuses. Halbleiterlieferanten bieten thermische mechanische Eigenschaften und Gehäuse von Silizium-ICs, während Gerätehersteller Informationen zu Modulmaterialien bereitstellen. Produktbenutzer stellen Informationen zur Nutzungsumgebung bereit.
Diese Analyse hilft IC-Designern, die Leistungs-FET-Abmessungen für die Worst-Case-Verlustleistung in Übergangs- und Ruhebetriebsmodi zu optimieren. In vielen Leistungselektronik-ICs nehmen die Leistungs-FETs einen erheblichen Teil der Chipfläche ein. Die thermische Analyse hilft Designern, ihre Designs zu optimieren.
Das gewählte Gehäuse legt typischerweise einen Teil des Metalls frei, um einen Pfad mit niedriger thermischer Impedanz vom Siliziumchip zum Kühlkörper bereitzustellen. Die für das Modell erforderlichen Schlüsselparameter lauten wie folgt:
Seitenverhältnis der Siliziumchipgröße und Chipdicke.
Bereich und Standort des Stromversorgungsgeräts sowie alle Hilfstreiberschaltungen, die Wärme erzeugen.
Leistungsstrukturdicke (Dispersion innerhalb des Siliziumchips).
Der Die-Verbindungsbereich und die Dicke, wo der Silizium-Die mit freiliegenden Metallpads oder Metallhöckern verbunden ist. Kann den Luftspaltprozentsatz des Die-Attach-Materials enthalten.
Die Fläche und Dicke des freigelegten Metallpads oder der Metallhöckerverbindung.
Packungsgröße unter Verwendung von Formmaterial und Anschlussleitungen.
Die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften für jedes im Modell verwendete Material sind erforderlich. Diese Dateneingabe umfasst auch temperaturabhängige Änderungen aller Wärmeübertragungseigenschaften, einschließlich:
Wärmeleitfähigkeit von Siliziumchips
Wärmeleitfähigkeit von Die-Attach, Formmaterial
Wärmeleitfähigkeit an der Verbindung von Metallpads oder Metallbumps.
Gehäusetyp (Paketprodukt) und PCB-Interaktion
Ein entscheidender Parameter für die thermische Simulation ist die Bestimmung des thermischen Widerstands vom Pad zum Kühlkörpermaterial, der auf folgende Weise bestimmt werden kann:
Mehrschichtige FR4-Platten (vier- und sechsschichtige Platten sind üblich)
Single-Ended-Leiterplatte
Obere und untere Bretter
Wärme- und Wärmewiderstandspfade variieren je nach Implementierung:
Stellen Sie eine Verbindung zu den Wärmeleitpads auf der internen Kühlkörperplatte oder den thermischen Durchkontaktierungen an Bump-Verbindungen her. Verwenden Sie Lötmittel, um freiliegende Wärmeleitpads oder Bump-Verbindungen mit der obersten Schicht der Leiterplatte zu verbinden.
Eine Öffnung in der Leiterplatte unterhalb des freigelegten Wärmeleitpads oder Bump-Anschlusses, die mit der Basis des vorstehenden Kühlkörpers verbunden werden kann, der am Metallgehäuse des Moduls befestigt ist.
Verwenden Sie Metallschrauben, um den Kühlkörper am Kühlkörper auf der oberen oder unteren Kupferschicht der Leiterplatte des Metallgehäuses zu befestigen. Verwenden Sie Lötmittel, um das freigelegte Wärmeleitpad oder die Höckerverbindung mit der obersten Schicht der Leiterplatte zu verbinden.
Auch das Gewicht oder die Dicke der Kupferplattierung, die auf jeder Schicht der Leiterplatte verwendet wird, ist kritisch. Bei der Wärmewiderstandsanalyse werden Schichten, die mit freigelegten Pad- oder Bump-Verbindungen verbunden sind, direkt von diesem Parameter beeinflusst. Im Allgemeinen sind dies die oberen Schichten, der Kühlkörper und die unteren Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte.
In den meisten Anwendungen kann dies eine Außenschicht aus 2 Unzen Kupfer (2 Unzen Kupfer=2,8 Mil oder 71 µm) und eine 1 Unze Kupfer (1 Unze Kupfer=1,4 Mil oder 35 µm) sein. Innenschicht oder alle Beide sind 1 oz Kupferschichten. In Anwendungen der Unterhaltungselektronik verwenden einige sogar Schichten aus {{10}},5 oz Kupfer (0,5 oz Kupfer=0,7 mil oder 18 µm).
Modelldaten
Die Simulation der Die-Temperatur erfordert einen IC-Grundriss, der alle Leistungs-FETs auf dem Die und ihre tatsächlichen Positionen enthält, um die Lötrichtlinien für Gehäuse zu erfüllen.
Die Größe und das Seitenverhältnis jedes FET sind wichtig für die Wärmeverteilung. Ein weiterer wichtiger zu berücksichtigender Faktor ist, ob die FETs gleichzeitig oder nacheinander eingeschaltet werden. Die Modellgenauigkeit hängt von den verwendeten physikalischen Daten und Materialeigenschaften ab.
Die statische oder durchschnittliche Leistungsanalyse des Modells erfordert eine kurze Rechenzeit, und die Konvergenz tritt auf, sobald die höchste Temperatur aufgezeichnet wird.
Die transiente Analyse erfordert Daten über die Leistung gegenüber der Zeit. Wir haben die Daten mit einem besseren Auflösungsschritt als beim Schaltnetzteil aufgezeichnet, um den Spitzentemperaturanstieg während schneller Stromimpulse genau zu erfassen. Diese Analyse ist in der Regel zeitaufwändig und erfordert mehr Dateneingabe als statische Leistungssimulationen.
Dieses Modell simuliert Epoxid-Hohlräume im Die-Attach-Bereich oder Plattierungs-Hohlräume in einem PCB-Kühlkörper. In beiden Fällen können Epoxid-/Beschichtungshohlräume den thermischen Widerstand des Gehäuses beeinträchtigen
Die thermische Simulation ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Energieprodukten. Darüber hinaus führt es Sie durch die Einstellung der Wärmewiderstandsparameter, vom FET-Übergang des Siliziumchips bis zur Implementierung verschiedener Materialien im Produkt. Sobald die verschiedenen Wärmewiderstandspfade verstanden sind, können viele Systeme für alle Anwendungen optimiert werden.
Sinda Thermal ist ein professioneller thermischer Experte. Wir können unseren Kunden das optimierte thermische Design bieten und den wettbewerbsfähigsten Preis und hochwertige Kühlkörper für die globalen Kunden anbieten. Wenn Sie thermische Anforderungen haben, wenden Sie sich bitte an uns.
