حتى أفضل نظام تحويل للكهرباء ، لن تصل الفعالية أبدًا إلى 100٪ ، حيث ستصبح كمية صغيرة من طاقة التحويل غير المحققة هي الحرارة ، وهو تحدي موثوقية النظام ، بدون إدارة حرارية فعالة ، ترانزستورات طاقة قد يحدث ارتفاع في درجة حرارة المولد الناتج عن الحرارة مثل المقاوم أثناء التشغيل ، مما يؤدي إلى فشل مبكر ، أو في الحالات القصوى ، يتجاوز الحد الأقصى لدرجة الحرارة ، مما يؤدي إلى تلف المكونات السريع.
تعتمد الموثوقية على قانون أرهينيوس الذي يشجع على التبريد لتحسين الموثوقية: يمكن أن يؤدي خفض درجة حرارة التشغيل لعنصر بمقدار 10 درجات مئوية إلى مضاعفة عمرها ، بالإضافة إلى اتخاذ تدابير لضمان درجة حرارة أقل في الوصلة لزيادة القدرة الكهربائية. ويسمح لمزود الطاقة بالعمل بأمان على مدى أوسع من درجات الحرارة المحيطة.
لا تنتقل كمية صغيرة من الطاقة الكهربائية ، بعد إدخال الترانزستور الكهربائي ، إلى الحمولة ، ولكنها تتبدد كحرارة عند تقاطع كل جهاز ، وتكون العلاقة بين درجة حرارة الوصلة واستهلاك الطاقة كما يلي:
Tmmax = (PDmax x Rθja) + Ta
حيث Tjmax هي درجة حرارة الوصل PDmax هي الطاقة القصوى المستهلكة Rθja هي المقاومة الحرارية للتقاطع إلى البيئة المحيطة Ta هي درجة الحرارة المحيطة
عند تصميم وحدة تزويد بالطاقة ، يكون الهدف هو تصميم درجة حرارة الوصلة ليس فقط لحماية الجهاز ، ولكن أيضًا لضمان الموثوقية المطلوبة.ويمكن استخدام منحنى كفاءة ورقة بيانات الجهاز لتقدير استهلاك الطاقة القصوى ، وكذلك الحرارة من البيئة المحيطة. يمكن العثور على مقاومة Rθja في منحنى ورقة البيانات ، والذي يأخذ في الاعتبار أيضًا تأثيرات التبريد الأخرى مثل معدنة PCB وتدفق الهواء.
عندما يتم توفير الطاقة المطلوبة للحمل ، إذا لم يتم تحقيق درجة حرارة التوصيل المقبولة ، يجب أن يركز جهد التصميم على تقليل Rθja ، وهناك العديد من الطرق التقنية لتحقيق ذلك ، بما في ذلك:
الاستفادة من التحسينات الكامنة في العبوة ، مثل المشابك الأكثر كفاءة حرارياً لتحل محل وصلات الرصاص التقليدية ، أو منطقة التعدين الموسعة على الجانب السفلي أو العلوي من الشريحة ، أو التبريد المزدوج الجوانب على كلا الجانبين. ترتبط المنطقة مباشرة بالمشتل الحراري أو الوسادة المعدنية المكشوفة ويمكن لحامها إلى طبقة المعدن PCB أو إلى المشتت الحراري. تصميم اللوحة يشمل سمك النحاس المتزايد أو متصل مباشرة بالوعة الحرارة (مثل المعدن الثقيل) إذا كنت بحاجة إلى تبديد حراري مرتفع ، فكر في ركائز معدنية عازلة. المزيد من تقنيات الإدارة الحرارية المباشرة ، مثل أحواض الحرارة أو أحواض الحرارة ، يمكن استخدامها مع مراوح التبريد.
والسؤال الآن هو أي من هذه التقنيات يمكنه تحقيق أفضل النتائج ، مثل الحجم والوزن المقبولين ، وأقل تأثير على تكاليف المواد (BOM) وما إلى ذلك. وعلى الرغم من عدم وجود إجابة واضحة ، إلا أنه من الواضح جداً الحلول الحرارية المفرطة أو غير الكافية لها عواقب محتملة غير مواتية.
ليس من المجدي دراسة التصميمات الحرارية المختلفة عن طريق بناء تصميمات نماذج متعددة ، ومن ناحية أخرى ، إذا وجدت أن الحل المحدد غير مناسب في نهاية المشروع ، قم بإعادة تصميم اللوحة لإضافة منافذ إضافية أو التبديل إلى أخرى قد يكون نوع الحزمة غير عملي أيضًا.
لحسن الحظ ، لدينا الآن الأدوات اللازمة للمساعدة في التصميم ، حيث يساعد برنامج المحاكاة الحراري هذا المهندسين على النظر إلى السلوك الحراري من منظور النظام وتحديد مناطق المشاكل قبل تنفيذ النموذج الأولي.
تتوفر بعض أدوات المحاكاة الحرارية عبر الإنترنت مجانًا ، ويعد WebTHERMTM من TI أحد الأمثلة على التحليل الحراري لتصميمات الطاقة التي تم إنشاؤها باستخدام بيئة WEBENCH® عبر الإنترنت ، باستخدام وحدات التحكم المختارة أو وحدات التحكم في تحويل التيار المستمر / DC ، بالإضافة إلى متطلبات مدخلات الطاقة ومُخرجات الجهد ، يمكن تصميم مصدر الطاقة في الأصل كمشروع WEBENCH.
بعد التصميم الأساسي كاملة، ومشروع قانون WEBENCH مواد يمكن تقدير وحساب فقدان الطاقة والمعلمات Rθja، وهذه العوامل يمكن أن يكون معروفا مع بيانات درجة الحرارة المحيطة لحساب يدويا Tjmax. يسمح WebTHERM تشغيل للمستخدمين عرض بيانيا الخواص الحرارية المحاكاة، و قد تظهر أيضا بعض الآثار الثانوية، والتأثيرات الحرارية مثل شارك في المكونات قد يكون من الصعب تصور نتيجة المحاكاة هو منحنى درجة حرارة اللون، يساعد بسرعة تحديد المساحة المطلوبة من الاهتمام.
عند تشغيل المحاكاة ، يحتاج المستخدم إلى إدخال تيار الحمل ، ودرجة الحرارة المحيطة العلوية والسفلية ودرجة حرارة حالة الجهاز وإعدادات المعلمات الأخرى.ويمكن إتمام المحاكاة الحرارية في بضع دقائق ، ويمكن تحليل النتائج بيانياً من خلال منحنى درجة حرارة اللون. يمكن تغيير التصميم في WEBENCH ، ويمكن تحسين الأداء الحراري عن طريق تغيير حجم اللوحة أو خصائص المواد النحاسية على أي طبقة PCB ، أو بإضافة وتعديل vias الحراري.
يمكن تشغيل المحاكاة الحرارية عدة مرات والنتائج مقارنتا بتحديد تصميم مقبول لدرجة الحرارة.إذا لم يتم ضمان Tjmax المناسب ، يمكن استخدام وظائف إدارة حرارية إضافية مثل أحواض الحرارة أو أحواض الحرارة للوصول بشكل أسرع من النظام. إزالة الحرارة: يمكن أن تساعد منحنيات درجة الحرارة على التركيز على المجالات التي تتطلب الانتباه.
إضافة بالوعة الحرارة
المبرد سهلة الفهم وموثوق بها للغاية، عدم وجود أجزاء متحركة، لا واسطة الفشل، دون أي تكاليف التشغيل. المبرد تستخدم عادة مواد مثل الألمنيوم أو النحاس، فإنها يمكن أن تتراوح من بسيطة الجناح معدنية مختومة لالترانزستور واحد، لطحن أو الضغط على الأعضاء، حيث تم تصميم زعانف لاعتراض تدفق الهواء إلى تحقيق أقصى قدر من حمل حراري. كما يرتفع الهواء الساخن، وسوف يحدث الحمل الطبيعي، والتي يمكن أن تستمر ويجب أن تؤخذ تيار لضمان الغاز من مدخل إلى مخرج دون عائق تدفق، والتأكد من أن المبرد يقع تحت مستوى مدخل الهواء ومخرج الهواء. هذا قد يساعد في منع ركود الهواء الساخن على عضو بالوعة الحرارة، وذلك لتجنب احتمال زيادة درجة الحرارة تقاطع.
على الرغم من أن أحواض الحرارة تتمتع بميزات كثيرة ، إلا أنها يمكن أن تكون كبيرة الحجم وضخمة ومكلفة إذا ما تم تبديد كميات كبيرة من الحرارة ، حيث يمكن أن يؤثر موقع الحوض الحراري الذي يحقق تدفق الهواء الأمثل على تخطيط اللوحة ، ويمكن أن يكون بالوعة الحرارة أو القذرة. الحجب ، مما يؤثر على تأثير التبريد.كما أن استخدام المشابك أو البراغي أو طبقة من مادة الواجهة الحرارية (TIM) لربط المشتت الحراري بالتجميع سوف يزيد أيضًا من وقت التجميع.
تقدم الشركات المصنعة مثل Aavid Thermalloy أو Wakefield-Vette مجموعة واسعة من أحواض الحرارة ، بما في ذلك أحواض حرارية محسنة لتناسب مكونات معينة مثل المعالجات أو FPGAs ، ومن ناحية أخرى ، يمكن اختيار أحواض الحرارة استنادًا إلى العمليات الحسابية ، هذه الأحواض الحرارية تقلل من المقاومة الحرارية العامة Rθja من الهواء من تقاطع القالب إلى بالوعة الحرارة ، مما يتيح درجة حرارة وصلة أقل عند تبديد طاقة معين.
يوضح الشكل 1 ترانزستور طاقة في مجموعة محسنة حرارياً مصممة لسخانات خافض حرارة ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات كفاءة عالية مع تبديد فعال للحرارة على الوجهين ، ويظهر هذا النظام بين الوصلة الجدارية وأعلى وأسفل ثنائي الفينيل متعدد الكلور. شبكة Rth مقاومة حرارية.المقاومة الحرارية للمشتت الحراري Rth يشير إلى كفاءة نقل الحرارة من الركيزة بالوعة الحرارة إلى البيئة المحيطة.
تمديد حرية التصميم مع أنابيب الحرارة
في بعض التصميمات ، نظرًا للحجم الكلي أو تخطيط اللوحة أو قيود عائق تدفق الهواء ، قد لا يكون مناسبًا توصيل الحجم المرغوب من بالوعة الحرارة مباشرة إلى محول IC أو ترانزستور طاقة ، فيمكن أن يوفر بالوعة الحرارة المبينة في الشكل 2 بديل عملي يسمح بنقل الحرارة من المصدر إلى موقع آخر حيث يمكن وضع بالوعة حرارية مناسبة لتوفير قدر أكبر من تدفق الهواء لتبديد الحرارة ، ويمكن أن يتحمل الموديل Wakefield-Vette 120231 ما يصل إلى 25W الحمل الحراري ، ولكن حجمه هو فقط 6mm في قطر × 100mm في الطول.
إن أنبوب الحرارة نفسه ليس مشعًا ، بل أنبوبًا مغلقًا ينقل الحرارة من الطرف الحار إلى النهاية الباردة باستخدام مبدأ تغيير الطور.في النهاية الحارة ، يتم امتصاص الحرارة ويتم تبخر السائل العامل في الأنبوب ، وبعد ذلك يتدفق البخار إلى النهاية الباردة ويتتكثف السائل الذي يطلق الحرارة خلال هذه العملية ، ثم يعود السائل إلى نهاية الأنبوبة الساخنة ويكرر العملية ، ومن مزايا أنبوب الحرارة أنه لا توجد حاجة إلى طاقة للحفاظ على آلية تغيير الطور ، والمصمم حر في وضع أنبوب الحرارة. يتم تحديد نهاية الباردة في الوضع الأكثر ملاءمة.
اضطر تبريد الهواء
إذا لم تحقق إدارة الوصلات السلبية باستخدام بالوعة الحرارة أو بالوعة الحرارة درجة حرارة التوصيل المطلوبة ، ففكر في استخدام مروحة عالية الجودة من جهة تصنيع مثل Delta Electronics من أجل تبريد الهواء القسري ، وقم بزيادة الحجم باختيار حجم المروحة وتعديل سرعة المروحة. انخفاض تدفق الهواء (قدم مكعب في الدقيقة (CFM)) للتبريد الأمثل والمرنة.
استنتاج
تعتبر الإدارة الحرارية السليمة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أقصى قدر من الأداء وموثوقية إمدادات طاقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو محولات DC / DC ، ولدى المصممين عدد كبير من الأدوات التي يمكن استخدامها ، ولكن يجب تجنب التصميم الزائد لمنع زيادة حجم الصوت. ارتفاع تكاليف BOM أو تحديات تجميع أكثر تعقيدًا ، تتوفر أدوات محاكاة حرارية دقيقة مجانًا ، وتوفر هذه الأدوات دليلاً مرئيًا لمواجهة تحديات الإدارة الحرارية قبل البدء في تصنيع الأجهزة ، مثل أحواض الحرارة المصممة خصيصًا أو قنوات التبريد أو التبريد يمكن أن تساعد التقنيات الأخرى ، مثل المراوح ، في التغلب على قيود النظام مثل تخطيط اللوحة أو تدفق الهواء.