Hur man optimerar kretsprestanda och kostnad för strömförsörjningskylning

När värmen i produktsystemet ökar kommer systemets strömförbrukning att öka exponentiellt, så vid design av kraftsystemet kommer en lösning med högre ström att väljas, vilket oundvikligen kommer att leda till en kostnadsökning. Vid en viss tidpunkt ökar kostnaden exponentiellt. Låt mig dela med dig en artikel om design och simulering av strömförsörjningskylning.

Termisk simulering är en viktig del av att utveckla kraftprodukter och ge riktlinjer för produktmaterial. Att optimera modulformfaktorn är en utvecklingstrend inom terminalutrustningsdesign, vilket leder till problemet med att byta från metallkylflänsar till termisk hantering av PCB-kopparskikt. Vissa av dagens moduler använder lägre switchfrekvenser för switch-mode strömförsörjning och stora passiva komponenter. Linjära regulatorer är mindre effektiva för spänningsöversättning och viloströmmar som driver interna kretsar.

När enhetsdesignerna blir mer funktionsrika, prestandahöjande och enhetsdesignerna blir mer kompakta, blir termisk simulering på IC-nivå och systemnivå kritisk.

Vissa applikationer fungerar vid omgivningstemperaturer på 70 till 125 grader, och vissa fordonsapplikationer kan nå temperaturer så höga som 140 grader, där oavbruten systemdrift är viktig. Noggrann transient och statisk värsta tänkbara termisk analys för båda typerna av applikationer blir allt viktigare vid optimering av elektroniska konstruktioner.

Termisk hantering

Utmaningen med termisk hantering är att minska förpackningsstorleken samtidigt som man uppnår högre termisk prestanda, högre driftstemperatur och lägre budget för termiska kopparskikt. Hög förpackningseffektivitet kommer att resultera i en hög koncentration av värmealstrande komponenter, vilket resulterar i extremt höga värmeflöden på IC- och förpackningsnivåer.

Faktorer att beakta i systemet inkluderar vissa andra kretskortskraftenheter som kan påverka analysenhetens temperatur, systemutrymme och luftflödesdesign/begränsningar. Det finns tre faktorer att ta hänsyn till vid värmehantering: paket, kort och system

Låg kostnad, liten formfaktor, modulintegrering och pakettillförlitlighet är några aspekter att tänka på när du väljer ett paket. Eftersom kostnaden blir en viktig faktor, blir leadframe-baserade termiskt förbättrade paket populärare. Detta paket inkluderar inbäddade kylfläns eller exponerade kuddar och paket av typen värmespridare utformade för att förbättra termisk prestanda. I vissa ytmonterade paket har speciella blyramar flera ledningar smälta på varje sida av paketet för att fungera som värmespridare. Detta tillvägagångssätt ger en bättre värmeavledningsväg för värmeöverföring från dynan.

IC och paket termisk simulering

Termisk analys kräver detaljerade och noggranna kiselmodeller och termiska egenskaper för kapslingen. Halvledarleverantörer tillhandahåller kisel-IC termiska mekaniska egenskaper och förpackningar, medan utrustningstillverkare tillhandahåller information om modulmaterial. Produktanvändare tillhandahåller information om användningsmiljö.

Denna analys hjälper IC-designers att optimera effekt FET-dimensioner för värsta tänkbara effektförluster i transienta och vilande driftlägen. I många kraftelektronikkretsar upptar effekt-FET:erna en betydande del av formytan. Termisk analys hjälper designers att optimera sina konstruktioner.

Den valda förpackningen exponerar typiskt en del av metallen för att ge en väg med låg termisk impedans från kiselformen till kylflänsen. De viktigaste parametrarna som krävs av modellen är följande:

Silikonformstorlek och formtjocklek.

Strömenhetens område och plats, och eventuella extra drivkretsar som genererar värme.

Kraftstrukturens tjocklek (spridning i kiselchipset).

Anslutningsytan och tjockleken där kiselmatrisen är ansluten till exponerade metallkuddar eller metallklumpar. Kan inkludera luftgapprocent för formfästet.

Arean och tjockleken på den exponerade metallkudden eller metallbumpanslutningen.

Förpackningsstorlek med gjutmaterial och anslutningsledningar.

Värmeledningsegenskaperna för varje material som används i modellen krävs. Denna indata inkluderar även temperaturberoende förändringar i alla värmeöverföringsegenskaper inklusive:

Silikonchips värmeledningsförmåga

Värmeledningsförmåga av formfäste, gjutmaterial

Värmeledningsförmåga vid anslutning av metallkuddar eller metallklumpar.

Förpackningstyp (paketprodukt) och PCB-interaktion

En avgörande parameter för termisk simulering är att bestämma det termiska motståndet från dynan till kylflänsmaterialet, vilket kan bestämmas på följande sätt:

Flerlagers FR4-kort (fyra- och sexlagersbrädor är vanliga)

ensidigt kretskort

Över- och underbrädor

Termiska och termiska motståndsvägar varierar beroende på implementering:

Anslut till termiska kuddar på den interna kylflänspanelen eller termiska vias vid bumpanslutningar. Använd lod för att ansluta exponerade termiska dynor eller bumpanslutningar till det översta lagret av PCB.

En öppning i kretskortet under den exponerade termiska dynan eller bumpanslutningen som kan anslutas till basen av den utskjutande kylflänsen som är fäst vid modulens metallhölje.

Använd metallskruvar för att fästa kylflänsen till kylflänsen på det övre eller nedre kopparskiktet på kretskortet i metallhöljet. Använd lod för att ansluta den exponerade termiska dynan eller bumpanslutningen till det översta lagret av PCB.

Vikten eller tjockleken av kopparplätering som används på varje lager av PCB är också kritisk. För termisk resistansanalys påverkas skikt som är anslutna till exponerade dyna eller bumpanslutningar direkt av denna parameter. Generellt sett är detta topp-, kylfläns- och bottenskikten i ett flerskikts kretskort.

I de flesta applikationer kan detta vara ett yttre skikt av två ounce koppar (2 ounce koppar=2.8 mils eller 71 µm) och ett 1 ounce koppar (1 ounce koppar=1.4 mils eller 35 µm) inre lager, eller alla Båda är 1 oz kopparlager. I hemelektronikapplikationer använder vissa till och med {{10}}.5 oz koppar (0.5 oz koppar=0.7 mils eller 18 µm) lager.

Modelldata

Simulering av formtemperaturen kräver en IC-planlösning som inkluderar alla effekt-FET:er på formen och deras faktiska placeringar för att följa paketets lödningsriktlinjer.

Storleken och bildförhållandet för varje FET är viktig för termisk distribution. En annan viktig faktor att överväga är om FET:erna slås på samtidigt eller sekventiellt. Modellens noggrannhet beror på de fysiska data och materialegenskaper som används.

Statisk eller medeleffektanalys av modellen kräver en kort beräkningstid och konvergens inträffar när den högsta temperaturen har registrerats.

Transientanalys kräver kraft kontra tidsdata. Vi spelade in data med ett bättre upplösningssteg än växelströmförsörjningshöljet för att exakt fånga topptemperaturökningen under snabba effektpulser. Denna analys är vanligtvis tidskrävande och kräver mer datainmatning än statisk effektsimuleringar.

Denna modell simulerar epoxihålrum i formfästningsområdet, eller plätering av tomrum i en PCB-kylfläns. I båda fallen kan epoxi/pläteringshålrum påverka förpackningens termiska motstånd

Termisk simulering är en viktig del av utvecklingen av kraftprodukter. Dessutom guidar den dig genom inställningen av termiska motståndsparametrar, från FET-övergången till kiselchippet till implementeringen av olika material i produkten. När de olika termiska motståndsvägarna väl är förstått kan många system optimeras för alla applikationer.

Sinda Thermal är professionell termisk expert, vi kan tillhandahålla den optimerade termiska designen för våra kunder och erbjuda det mest konkurrenskraftiga priset och kylflänsar av hög kvalitet för de globala kunderna. Om du har några termiska krav är du välkommen att kontakta oss.