Netzteilkühlung zur Optimierung der Schaltungsleistung und -kosten
Die thermische Simulation ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Leistungsprodukten und der Bereitstellung von Produktmaterialrichtlinien. Die Optimierung der Modulgröße ist der Entwicklungstrend im Endgerätedesign, das die Umwandlung des Wärmeableitungsmanagements vom Metallkühlkörper auf die PCB-Kupferschicht bewirkt. Einige Module verwenden heute niedrigere Schaltfrequenzen für Schaltnetzteile und große passive Komponenten. Für die Spannungswandlung und den Ruhestrom, der die interne Schaltung ansteuert, ist der Wirkungsgrad des Linearreglers relativ gering.
Da die Funktionen immer umfangreicher werden, wird die Leistung immer höher und das Gerätedesign wird immer kompakter. Zu diesem Zeitpunkt wird die Simulation der Wärmeableitung auf IC- und Systemebene sehr wichtig.
Die Arbeitsumgebungstemperatur einiger Anwendungen beträgt 70 bis 125 °C, und die Temperatur einiger Automobilanwendungen in Chipgröße beträgt sogar 140 °C. Für diese Anwendungen ist der unterbrechungsfreie Betrieb des Systems sehr wichtig. Bei der Optimierung elektronischer Designs wird eine genaue thermische Analyse unter transienten und statischen Worst-Case-Szenarien für die beiden oben genannten Anwendungsarten immer wichtiger.
Die Wärmeableitungs- und Wärmewiderstandspfade sind je nach Implementierungsverfahren unterschiedlich: Die Wärmeableitungspads, die mit der internen Kühlkörperplatte verbunden sind, oder die Wärmeableitungslöcher an der Verbindungsstelle der Vorsprünge. Verwenden Sie Lötzinn, um das freiliegende Wärmeleitpad oder die Bump-Verbindung mit der oberen Schicht der Leiterplatte zu verbinden. Eine Öffnung auf der Platine unter dem freiliegenden Wärmeleitpad oder Bump-Anschluss, die mit dem erweiterten Kühlkörpersockel verbunden werden kann, der mit dem Metallgehäuse des Moduls' verbunden ist. Verwenden Sie Metallschrauben, um den Kühlkörper mit dem Kühlkörper auf der oberen oder unteren Kupferschicht der Platine des Metallgehäuses zu verbinden. Verwenden Sie Lötzinn, um das freiliegende Wärmeleitpad oder die Bump-Verbindung mit der oberen Schicht der Leiterplatte zu verbinden. Darüber hinaus ist das Gewicht oder die Dicke der Kupferplattierung, die auf jeder Schicht der PCB verwendet wird, sehr kritisch. Hinsichtlich der thermischen Widerstandsanalyse werden die mit den exponierten Pads oder Bumps verbundenen Schichten direkt von diesem Parameter beeinflusst. Im Allgemeinen sind dies die obere, der Kühlkörper und die untere Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte. In den meisten Anwendungen kann es sich um eine Außenschicht von 2 Unzen (2 Unzen Kupfer=2,8 mil oder 71 µm) und eine Innenschicht aus 1 Unze Kupfer (1 Unze Kupfer=1,4 mil oder 35 µm) oder alle 1 Unze schwere kupferplattierte Schicht. In Anwendungen der Unterhaltungselektronik verwenden einige Anwendungen sogar eine Schicht von 0,5 Unzen Kupfer (0,5 Unzen Kupfer=0,7 mil oder 18 µm).
Modelldaten
Die Simulation der Die-Temperatur erfordert ein IC-Layout-Diagramm, das alle Leistungs-FETs auf dem Die und die tatsächlichen Positionen enthält, die den Packungs- und Lötprinzipien entsprechen.
Die Größe und das Seitenverhältnis jedes FET sind für die Wärmeverteilung sehr wichtig. Ein weiterer wichtiger zu berücksichtigender Faktor ist, ob die FETs gleichzeitig oder nacheinander eingeschaltet werden. Die Genauigkeit des Modells hängt von den verwendeten physikalischen Daten und Materialeigenschaften ab.
Die statische oder durchschnittliche Leistungsanalyse des Modells erfordert nur eine kurze Rechenzeit, und die Konvergenz tritt ein, sobald die maximale Temperatur aufgezeichnet wird.
Die Transientenanalyse erfordert Vergleichsdaten der Leistung und Zeit. Wir haben ein besseres Analyseverfahren als das Schaltnetzteil verwendet, um die Daten aufzuzeichnen, um den Spitzentemperaturanstieg während schneller Leistungsimpulse genau zu erfassen. Diese Art der Analyse ist im Allgemeinen zeitaufwändig und erfordert mehr Dateneingabe als die statische Leistungssimulation.
Dieses Modell kann die Epoxidporen im Die-Anschlussbereich oder die Plattierungsporen des PCB-Kühlkörpers simulieren. In beiden Fällen beeinträchtigen Epoxid-/Beschichtungsporen die Wärmebeständigkeit des Gehäuses.
Die thermische Simulation ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung von Energieprodukten. Darüber hinaus kann es Sie auch bei der Einstellung der Wärmewiderstandsparameter unterstützen, die den gesamten Bereich vom Siliziumchip-FET-Übergang bis zur Implementierung verschiedener Materialien im Produkt abdecken. Wenn wir die unterschiedlichen Pfade des thermischen Widerstands verstehen, können wir viele Systeme für alle Anwendungen optimieren.
Diese Daten können auch verwendet werden, um den Zusammenhang zwischen dem Derating-Faktor und dem Anstieg der Umgebungstemperatur im Betrieb zu bestimmen. Diese Ergebnisse können verwendet werden, um Produktentwicklungsteams bei der Entwicklung ihrer Designs zu unterstützen.
