Même le meilleur système de conversion de puissance, l'efficacité n'atteindra jamais 100% .. Une petite quantité d'énergie de conversion non réalisée deviendra de la chaleur, ce qui est le défi de la fiabilité du système.Sans gestion thermique efficace, transistors de puissance Un composant générateur de chaleur tel qu'une résistance peut surchauffer pendant le fonctionnement, ce qui entraîne une défaillance précoce ou, dans les cas extrêmes, dépasse sa température nominale maximale, ce qui entraîne une détérioration rapide des composants.
Fiabilité suit la loi d'Arrhenius qui prévoit d'encourager le mode de refroidissement utilisé pour améliorer la fiabilité: réduire la température de fonctionnement des composants 10 ° C, sa durée de vie peut être prolongée deux fois plus, des mesures pour assurer la basse température de jonction de la capacité de puissance peut être augmentée Et permet à l'alimentation électrique de fonctionner en toute sécurité sur une plage plus large de températures ambiantes.
Une petite partie de l'énergie électrique dans le transistor de puissance, et n'a pas été délivrée à la charge, mais est dissipée à la jonction de chaque dispositif sous la forme de chaleur et de la relation entre la température de jonction de la consommation d'énergie, voir l'équation suivante:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
Dans lequel la température de jonction Tjmax est la consommation de puissance maximale pour le Pdmax Rθja de jonction à la température ambiante une résistance thermique de la température ambiante Ta
Lorsque la conception de l'alimentation, l'objectif est de concevoir non seulement la température de jonction Pour protéger l'appareil, assure également que la courbe de fiabilité requis. Efficacité Fiche technique peut être utilisée pour estimer la puissance maximale de l'appareil, de même, la jonction à ambiant thermique Rθja barrière peut être trouvée à partir des courbes de la feuille de données, la courbe prend en compte l'effet de refroidissement des autres, des facteurs tels que le degré de métallisation et de PCB de l'air et analogues.
En fournissant la puissance nécessaire à la charge, sinon atteindre une température de jonction acceptable, la conception doit se concentrer sur la réduction de Rθja certaines techniques peuvent être utilisées pour réaliser cette façon, ceux-ci comprennent:
Choix de l'emballage Profitez des améliorations inhérentes à l'emballage, telles que les pinces plus efficaces thermiquement pour remplacer les connexions traditionnelles, ou la zone de métallisation étendue sur la face inférieure ou supérieure de la puce, ou le refroidissement bilatéral des deux côtés. La zone est directement connectée au dissipateur de chaleur ou au tampon métallique exposé et peut être soudée à la couche de métallisation PCB ou au dissipateur de chaleur Conception de la carte Inclut une épaisseur de cuivre accrue ou directement connectée au dissipateur de chaleur (par exemple métal plus lourd) Ajout de vias thermiques sous le dissipateur thermique Si vous avez besoin d'une dissipation de chaleur très élevée, envisagez d'isoler les substrats métalliques Des techniques de gestion thermique plus directes, telles que les dissipateurs thermiques ou les dissipateurs thermiques, peuvent être utilisées avec les ventilateurs.
La question est maintenant de savoir laquelle de ces technologies peut obtenir les meilleurs résultats, tels qu'une taille et un poids acceptables, et un impact minimal sur les coûts de la nomenclature (BOM), etc. Bien qu'il n'y ait pas de réponse claire, il est évident Des solutions thermiques excessives ou insuffisantes ont des conséquences potentielles défavorables.
Il n'est pas possible d'étudier différentes conceptions thermiques en construisant plusieurs conceptions de prototypes En revanche, si vous trouvez que la solution choisie ne convient pas à la fin du projet, redessinez la carte pour ajouter des évents supplémentaires ou passez à d'autres Le type de paquet peut également être impraticable.
Heureusement, nous avons maintenant les outils pour aider à la conception.Ce logiciel de simulation thermique aide les ingénieurs à observer le comportement thermique d'un point de vue système et à identifier les zones à problèmes avant de mettre en œuvre le premier prototype.
Certains outils en ligne de simulation thermique sont même disponibles gratuitement, et le WebTHERMTM de TI est un exemple d'analyse thermique des conceptions de puissance créées à l'aide de l'environnement en ligne WEBENCH® à l'aide de contrôleurs sélectionnés ou de circuits intégrés de conversion CC / CC. En plus des exigences de plage de tension d'entrée et de sortie, l'alimentation peut être conçue à l'origine comme un projet WEBENCH.
Après la conception de base est terminée, le projet de loi WEBENCH des matériaux peut être estimée et la perte de puissance calculée et paramètres Rθja, ces paramètres peuvent être connus avec les données de température ambiante pour calculer manuellement Tjmax. En cours d'exécution WebTHERM permet aux utilisateurs de visualiser graphiquement les propriétés thermiques de simulation, et peuvent également montrer des effets secondaires, les effets thermiques tels que les co-composants peuvent être difficiles à visualiser le résultat de la simulation est une courbe de température de couleur, permet de déterminer rapidement la zone d'intérêt requis.
Lors de la simulation, l'utilisateur doit saisir le courant de charge, la température ambiante supérieure et inférieure, la température du boîtier et d'autres paramètres, effectuer la simulation thermique en quelques minutes et analyser graphiquement la courbe de température de couleur. La conception peut être modifiée dans WEBENCH, et la performance thermique peut être optimisée en modifiant la taille de la carte ou les caractéristiques du matériau en cuivre sur n'importe quelle couche de PCB, ou en ajoutant et en ajustant des vias thermiques.
Les simulations thermiques peuvent être effectuées plusieurs fois et les résultats comparés pour déterminer une conception de température acceptable Si le Tjmax approprié ne peut pas être assuré, des fonctions de gestion thermique supplémentaires telles que des dissipateurs thermiques ou des dissipateurs thermiques peuvent être utilisées pour un accès plus rapide. Éliminez la chaleur Les courbes de température peuvent vous aider à vous concentrer sur les zones nécessitant une attention particulière.
Ajouter un dissipateur de chaleur
Radiateur facile à comprendre et très fiable, pas de pièces mobiles, sans mode de défaillance, sans aucun frais de fonctionnement. Radiateur matériaux couramment utilisés tels que l'aluminium ou le cuivre, ils peuvent aller de l'aile simple métal embouti pour seul transistor, au fraisage ou élément de pression, dans lequel les ailettes sont conçues pour intercepter le flux d'air afin de maximiser le transfert de chaleur par convection. comme l'air chaud monte, la convection naturelle se produit, ce qui peut persister courant doivent être prises pour assurer le gaz de l'entrée vers la sortie sans entrave couler, et de veiller à ce que le radiateur est situé en dessous du niveau d'entrée d'air et de sortie d'air. ce qui peut aider à prévenir la stagnation de l'air chaud au-dessus de l'élément de dissipateur thermique, afin d'éviter une température de jonction possible accrue.
Bien que le dissipateur de chaleur présente de nombreux avantages, mais si vous voulez atteindre un grand nombre de dissipation de la chaleur, le volume peut être très grand, très lourd et coûteux. Flux d'air optimal du radiateur peut affecter la position de la mise en page de carte de circuit imprimé, le radiateur peut être la poussière ou la saleté colmatage, affectant ainsi l'effet de refroidissement. mâchoires ou à l'aide d'une vis ou d'une couche de matériau d'interface thermique (TIM) est correctement connecté à l'ensemble de dissipation de chaleur, augmente également le temps de montage.
Des fabricants tels que Aavid Thermalloy ou Wakefield-Vette offrent une large gamme de dissipateurs thermiques, y compris des dissipateurs thermiques optimisés pour s'adapter à des composants spécifiques tels que les processeurs ou les FPGA, tandis que les dissipateurs thermiques peuvent être sélectionnés en fonction des calculs. Ces dissipateurs thermiques réduisent l'impédance thermique globale Rθja de l'air de la jonction de la filière au dissipateur thermique, permettant ainsi une température de jonction inférieure à une dissipation de puissance spécifique.
La figure 1 montre un transistor de puissance dans un boîtier amélioré thermiquement conçu pour les dissipateurs thermiques à circuit imprimé montés sur le dessus avec une dissipation thermique double face efficace Le système est montré entre la jonction de fonctionnement et le haut et le bas de la carte. Impédance thermique Rth réseau La résistance thermique du radiateur Rth indique l'efficacité du transfert de chaleur du substrat du dissipateur de chaleur à l'environnement environnant.
Étendre la liberté de conception avec des caloducs
Dans certaines conceptions, en raison de la taille globale, de la disposition de la carte ou des limitations d'écoulement d'air, il peut ne pas être approprié de connecter une taille de dissipateur de chaleur souhaitée directement à un convertisseur ou un transistor de puissance. Une alternative pratique qui permet de transférer la chaleur de la source à un autre endroit où un dissipateur de chaleur approprié peut être placé pour fournir un plus grand débit d'air pour la dissipation de la chaleur Le Wakefield-Vette modèle 120231 peut supporter jusqu'à 25W Charge thermique, mais sa taille est seulement de 6mm de diamètre × 100mm de longueur.
Le caloduc lui-même n'est pas un radiateur, mais un tube scellé qui transfère la chaleur de l'extrémité chaude à l'extrémité froide en utilisant le principe de changement de phase.La chaleur est absorbée et le fluide de travail dans le tube est évaporé. Liquide, qui libère de la chaleur pendant ce processus Le liquide retourne ensuite à l'extrémité chaude du tuyau et répète le processus Un des avantages du caloduc est qu'aucune puissance n'est nécessaire pour maintenir le mécanisme de changement de phase, et le concepteur est libre de placer le caloduc L'extrémité froide est sélectionnée dans la position la plus appropriée.
Refroidissement par air forcé
Si la gestion de la jonction passive à l'aide d'un dissipateur de chaleur ou d'un dissipateur thermique n'atteint pas la température de jonction désirée, envisagez d'utiliser un ventilateur de qualité supérieure d'un fabricant tel que Delta Electronics pour augmenter la taille du ventilateur. Débit d'air réduit (pieds cubes par minute (CFM)) pour un refroidissement optimisé et flexible.
Conclusion
Une gestion thermique adéquate est essentielle pour optimiser les performances et la fiabilité des alimentations PCB ou des convertisseurs DC / DC Les concepteurs disposent d'un grand nombre d'outils utilisables, mais une sur-conception doit être évitée pour éviter un volume excessif. Des coûts de nomenclature élevés ou des défis d'assemblage plus complexes Des outils de simulation thermique précis sont disponibles gratuitement et constituent un guide visuel pour répondre aux défis de la gestion thermique avant de commencer à fabriquer du matériel tels que les dissipateurs de chaleur, les conduits de refroidissement ou le refroidissement. D'autres technologies, telles que les ventilateurs, peuvent aider à surmonter les limitations du système telles que la disposition des cartes ou le flux d'air.