Hvordan man optimerer kredsløbets ydeevne og omkostninger til strømforsyningskøling

Når varmen i produktsystemet stiger, vil systemets strømforbrug stige eksponentielt, så ved design af elsystemet vil der blive valgt en løsning med en højere strøm, hvilket uundgåeligt vil føre til en stigning i omkostningerne. På et vist tidspunkt stiger omkostningerne eksponentielt. Lad mig dele en artikel med dig om strømforsyningskøledesign og -simulering.

Termisk simulering er en vigtig del af udviklingen af ​​strømprodukter og retningslinjer for produktmaterialer. Optimering af modulformfaktoren er en udviklingstendens inden for terminaludstyrsdesign, som medfører problemet med at skifte fra metalkøleplader til PCB-kobberlags termisk styring. Nogle af nutidens moduler bruger lavere switch-frekvenser til switch-mode strømforsyninger og store passive komponenter. Lineære regulatorer er mindre effektive til spændingsoversættelse og hvilestrømme, der driver interne kredsløb.

Efterhånden som enhedsdesign bliver mere funktionsrige, præstationsforbedrende, og enhedsdesign bliver mere kompakt, bliver termisk simulering på IC-niveau og systemniveau kritisk.

Nogle applikationer fungerer ved omgivende temperaturer på 70 til 125 grader, og nogle applikationer i die-størrelse bilindustrien kan nå temperaturer så høje som 140 grader, hvor uafbrudt systemdrift er vigtig. Nøjagtig transient og statisk worst-case termisk analyse for begge typer applikationer bliver stadig vigtigere ved optimering af elektroniske designs.

Termisk styring

Udfordringen ved termisk styring er at reducere pakkestørrelsen og samtidig opnå højere termisk ydeevne, højere driftstemperatur og lavere budget for termiske kobberlag. Høj emballeringseffektivitet vil resultere i en høj koncentration af varmegenererende komponenter, hvilket resulterer i ekstremt høje varmefluxer på IC- og pakkeniveauer.

Faktorer, der skal tages i betragtning i systemet, omfatter nogle andre strømforsyningsenheder med printkort, som kan påvirke analyseenhedens temperatur, systemplads og luftstrømsdesign/begrænsninger. Der er tre faktorer at overveje i termisk styring: pakke, plade og system

Lave omkostninger, lille formfaktor, modulintegration og pakkepålidelighed er nogle få aspekter, du skal overveje, når du vælger en pakke. Efterhånden som omkostninger bliver en vigtig overvejelse, vinder leadframe-baserede termisk forbedrede pakker popularitet. Denne pakke inkluderer indlejrede køleplader eller blotlagte puder og varmespreder-typer designet til at forbedre termisk ydeevne. I nogle overflademonterede pakker har specielle blyrammer flere ledninger smeltet sammen til hver side af pakken for at fungere som varmespredere. Denne fremgangsmåde giver en bedre varmeafledningsvej for varmeoverførsel fra matricepuden.

IC og pakke termisk simulering

Termisk analyse kræver detaljerede og nøjagtige siliciumforme produktmodeller og indeslutnings termiske egenskaber. Halvlederleverandører leverer silicium IC termiske mekaniske egenskaber og emballage, mens udstyrsproducenter giver information om modulmaterialer. Produktbrugere giver oplysninger om brugsmiljø.

Denne analyse hjælper IC-designere med at optimere effekt-FET-dimensioner til worst-case effekttab i transiente og hviletilstande. I mange effektelektronik IC'er optager effekt-FET'erne en betydelig del af matricearealet. Termisk analyse hjælper designere med at optimere deres design.

Den valgte pakke blotlægger typisk noget af metallet for at give en lav termisk impedansbane fra siliciummatricen til kølepladen. De vigtigste parametre, der kræves af modellen, er som følger:

Siliciummatricestørrelses størrelsesforhold og matricetykkelse.

Strømenhedens område og placering og eventuelle hjælpedriverkredsløb, der genererer varme.

Kraftstrukturtykkelse (spredning i siliciumchippen).

Matriceforbindelsesområdet og tykkelsen, hvor siliciummatricen er forbundet med blotlagte metalpuder eller metalbuler. Kan inkludere procentdel af luftspalten for matricefastgørelsesmaterialet.

Området og tykkelsen af ​​den blotlagte metalpude eller metalbumpforbindelse.

Pakkestørrelse ved hjælp af støbemateriale og tilslutningsledninger.

De termiske ledningsevneegenskaber for hvert materiale anvendt i modellen er påkrævet. Dette datainput inkluderer også temperaturafhængige ændringer i alle varmeoverførselsegenskaber, herunder:

Silicium chip termisk ledningsevne

Termisk ledningsevne af matricefastgørelses-, støbemateriale

Termisk ledningsevne ved tilslutning af metalpuder eller metalbump.

Pakketype (pakkeprodukt) og PCB interaktion

En afgørende parameter for termisk simulering er at bestemme den termiske modstand fra puden til kølepladematerialet, som kan bestemmes på følgende måder:

Flerlags FR4-plader (fire og seks-lags plader er almindelige)

enkelt-ende printplade

Top og bund brædder

Termiske og termiske modstandsveje varierer efter implementering:

Tilslut til termiske puder på det interne kølepladepanel eller termiske vias ved bump-forbindelser. Brug loddemiddel til at forbinde udsatte termiske puder eller bump-forbindelser til det øverste lag af printkortet.

En åbning i printkortet under den blotlagte termiske pude eller bump-forbindelse, der kan forbindes til bunden af ​​den udragende køleplade, der er fastgjort til modulets metalkabinet.

Brug metalskruer til at fastgøre kølepladen til kølepladen på det øverste eller nederste kobberlag af printkortet i metalhuset. Brug loddemiddel til at forbinde den blotlagte termiske pude eller bump-forbindelse til det øverste lag af printkortet.

Vægten eller tykkelsen af ​​den kobberbelægning, der anvendes på hvert lag af PCB'en, er også kritisk. Til termisk modstandsanalyse påvirkes lag forbundet til blotlagte pude- eller bumpforbindelser direkte af denne parameter. Generelt er dette top-, køleplade- og bundlag i et flerlags printkort.

I de fleste applikationer kan dette være et ydre lag på 2 ounce kobber (2 ounce kobber=2.8 mils eller 71 µm) og et 1 ounce kobber (1 ounce kobber=1.4 mils eller 35 µm) indre lag, eller alle Begge er 1 oz kobberlag. I forbrugerelektronikapplikationer bruger nogle endda {{10}}.5 oz kobber (0.5 oz kobber=0.7 mils eller 18 µm) lag.

Modeldata

Simulering af matricetemperaturen kræver en IC-gulvplan, der inkluderer alle power-FET'erne på matricen og deres faktiske placeringer for at overholde retningslinjerne for pakkelodning.

Størrelsen og billedformatet af hver FET er vigtig for termisk fordeling. En anden vigtig faktor at overveje er, om FET'erne tændes samtidigt eller sekventielt. Modellens nøjagtighed afhænger af de anvendte fysiske data og materialeegenskaber.

Statisk eller gennemsnitlig effektanalyse af modellen kræver en kort beregningstid, og konvergens sker, når den højeste temperatur er registreret.

Forbigående analyse kræver strøm versus tidsdata. Vi registrerede dataene ved hjælp af et bedre opløsningstrin end omskiftende strømforsyningskasse for nøjagtigt at fange spidstemperaturstigningen under hurtige strømimpulser. Denne analyse er typisk tidskrævende og kræver mere datainput end statiske strømsimuleringer.

Denne model simulerer epoxyhulrum i matricefastgørelsesområdet eller plettering af hulrum i en PCB-køleplade. I begge tilfælde kan hulrum i epoxy/plettering påvirke emballagens termiske modstand

Termisk simulering er en vigtig del af udviklingen af ​​strømprodukter. Derudover guider den dig gennem indstillingen af ​​termiske modstandsparametre, fra FET-forbindelsen af ​​siliciumchippen til implementeringen af ​​forskellige materialer i produktet. Når de forskellige termiske modstandsveje er forstået, kan mange systemer optimeres til alle applikationer.

Sinda Thermal er professionel termisk ekspert, vi kan levere det optimerede termiske design til vores kunder og tilbyde den mest konkurrencedygtige pris og køleplader af høj kvalitet til de globale kunder. Hvis du har varmekrav, er du velkommen til at kontakte os.