Selbst bei der besten Energieumwandlung wird die Effizienz nie 100% erreichen.Eine kleine Menge nicht realisierte Umwandlungsenergie wird zu Wärme, was die Herausforderung der Systemzuverlässigkeit darstellt.Ohne effizientes Wärmemanagement, Leistungstransistoren Eine wärmeerzeugende Komponente, wie z. B. ein Widerstand, kann sich während des Betriebs überhitzen, was zu einem frühzeitigen Ausfall oder im Extremfall zu einer Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur führt, was zu einer schnellen Beschädigung der Komponenten führt.
Die Zuverlässigkeit folgt dem Arrhenius'schen Gesetz, das die Kühlung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit fördert: Die Senkung der Betriebstemperatur eines Bauteils um 10 ° C kann seine Lebensdauer verdoppeln, außerdem werden Maßnahmen ergriffen, um eine niedrigere Sperrschichttemperatur zur Erhöhung der Leistungskapazität sicherzustellen. Und ermöglicht den sicheren Betrieb der Stromversorgung über einen größeren Bereich von Umgebungstemperaturen.
Eine kleine Menge elektrischer Energie wird nach dem Eintritt in den Leistungstransistor nicht an die Last übertragen, sondern wird als Wärme an der Verbindungsstelle jeder Vorrichtung abgeführt. Die Beziehung zwischen der Sperrschichttemperatur und dem Stromverbrauch ist wie folgt:
Tjmax = (PDmax × Rθja) + Ta
Wenn Tjmax die Verbindungstemperatur ist, ist PDmax die maximale verbrauchte Energie. Rθja ist der thermische Widerstand der Verbindung zur Umgebung. Ta ist die Umgebungstemperatur
Ziel bei der Auslegung eines Netzteils ist es, die Sperrschichttemperatur nicht nur zum Schutz des Gerätes, sondern auch zur Sicherstellung der geforderten Zuverlässigkeit zu gestalten, um den maximalen Stromverbrauch sowie die Wärme aus der Umgebung abzuschätzen. Der Widerstand Rθja ist in der Datenblattkurve zu finden, die auch andere Kühleffekte wie PCB-Metallisierung und Luftströmung berücksichtigt.
Wenn die erforderliche Leistung an die Last geliefert wird, muss, wenn die akzeptable Sperrschichttemperatur nicht erreicht wird, der Konstruktionsaufwand auf die Verringerung von Rθja konzentriert werden. Es gibt mehrere technische Möglichkeiten, dies zu erreichen, einschließlich:
Wahl des Pakets Nutzen Sie die Vorteile des Pakets, wie beispielsweise die thermisch effizienteren Klemmen als Ersatz für die herkömmlichen Leitungsanschlüsse oder den erweiterten Metallisierungsbereich auf der Unter- oder Oberseite des Chips oder die doppelseitige Kühlung auf beiden Seiten. Der Bereich ist direkt mit dem Kühlkörper oder dem freiliegenden Metallpad verbunden und kann mit der PCB-Metallisierungsschicht oder dem Kühlkörper verlötet werden Platinenkonstruktion, einschließlich erhöhter Kupferdicke, oder direkt mit dem Kühlkörper verbunden (z. B. schwereres Metall) Hinzufügen von thermischen Durchkontaktierungen unter dem Kühlkörper Wenn Sie eine sehr hohe Wärmeableitung benötigen, sollten Sie die Isolierung von Metallsubstraten in Erwägung ziehen Bei Kühllüftern können direktere Wärmemanagementtechniken wie Kühlkörper oder Kühlkörper verwendet werden.
Die Frage ist nun, welche dieser Technologien die besten Ergebnisse erzielen kann, wie akzeptable Größe und Gewicht und minimale Auswirkungen auf die Stücklistenkosten usw. Obwohl es keine klare Antwort gibt, ist es sehr offensichtlich Übermäßige oder unzureichende thermische Lösungen haben ungünstige mögliche Konsequenzen.
Es ist nicht möglich, verschiedene thermische Designs zu untersuchen, indem mehrere Prototyp-Designs erstellt werden.Wenn Sie andererseits feststellen, dass die ausgewählte Lösung am Ende des Projekts nicht geeignet ist, entwerfen Sie das Board neu, um zusätzliche Lüftungsöffnungen hinzuzufügen oder zu anderen zu wechseln Die Art der Verpackung kann auch unpraktisch sein.
Glücklicherweise haben wir Werkzeuge tun müssen, um diesen Entwurf zu erzielen, die thermische Simulation Software-Ingenieuren hilft das thermische Verhalten aus der Sicht des Systems zu untersuchen und Problembereiche vor der Realisierung des ersten Prototyps zu identifizieren.
Einige Online-thermische Simulation Tools sogar kostenlos zur Verfügung stellen können, TI WebTHERM ™ ist ein Beispiel, es kann die thermische Analyse der Online-Umgebung WEBENCH® Spg.Versorgungsteilentwurf mit dem ausgewählten Controller oder DC / DC-Wandler-ICS erstellt wird, dann plus die Leistungseingabeanforderungen und Ausgangsspannungsbereich, Energie anfänglich als WEBENCH Projekt ausgebildet sein können.
Nach Abschluss des Basisdesigns kann WEBENCH die Stückliste abschätzen und Parameter wie Leistungsverlust und Rθja berechnen, mit denen Tjmax manuell mit bekannten Umgebungstemperaturdaten berechnet werden kann.Mit der webTHERM-Simulation kann der Benutzer die thermische Leistung grafisch darstellen und Es kann auch einige Hilfseffekte anzeigen, wie zum Beispiel den allgemeinen thermischen Effekt von Komponenten, die schwierig zu visualisieren sind.Das Ergebnis der Simulation ist eine Farbtemperaturkurve, die hilft, den interessierenden Bereich schnell zu bestimmen.
Während der Simulation muss der Benutzer den Laststrom, die obere und untere Umgebungstemperatur und die Gerätefalltemperatur und andere Parametereinstellungen eingeben.Die thermische Simulation kann in wenigen Minuten abgeschlossen werden, und die Ergebnisse können durch eine Farbtemperaturkurve grafisch analysiert werden. Das Design kann in WEBENCH geändert werden, und die thermische Leistung kann weiter optimiert werden, indem die Leiterplattengröße oder die Kupfermaterialeigenschaften auf jeder PCB-Schicht geändert werden oder indem thermische Durchkontaktierungen hinzugefügt und angepasst werden.
Thermische Simulationen können mehrfach durchgeführt und die Ergebnisse verglichen werden, um eine akzeptable Temperaturauslegung zu ermitteln.Falls das geeignete Tjmax nicht gewährleistet werden kann, können zusätzliche Wärmemanagementfunktionen wie Kühlkörper oder Wärmesenken für einen schnelleren Zugriff von dem System verwendet werden. Wärme entfernen Temperaturkurven können helfen, sich auf Bereiche zu konzentrieren, die Aufmerksamkeit erfordern.
Kühlkörper hinzufügen
Kühl einfach und sehr zuverlässig zu verstehen, keine beweglichen Teile, kein Fehlermodus, ohne die Betriebskosten. Kühler üblicherweise verwendeten Materialien wie Aluminium oder Kupfer, sie aus einfachen gestanzten Metallflügel für Einzeltransistor, der Vermahlung reichen können oder Druckelement, wobei die Rippen sind so ausgelegt, um den Luftstrom abzufangen, die konvektive Wärmeübertragung zu maximieren. Wenn die heiße Luft steigt, wird die natürliche Konvektion auftreten, welcher Strom das Gas von dem Einlass zu dem Auslass aufgenommen werden muß anhalten kann ungehindert um sicherzustellen, Durchfluss und stellen Sie sicher, dass der Lufteinlass unterhalb der Radiatorhöhe und des Luftstromauslasses liegt, um zu verhindern, dass der heiße Luftstrom über dem Kühlkörper stagniert, um eine mögliche Erhöhung der Sperrschichttemperatur zu vermeiden.
Obwohl Wärmesenken viele Vorteile haben, können sie sperrig, voluminös und teuer sein, wenn große Wärmemengen abgeführt werden sollen.Die Position der Wärmesenke, die eine optimale Luftströmung erreicht, kann die Leiterplattenanordnung beeinflussen, und die Wärmesenke kann verstaubt oder schmutzig sein. Blockieren und somit den Kühleffekt beeinträchtigen Mit den Klemmen oder Schrauben oder einer Schicht Wärmeleitmaterial (TIM), um den Kühlkörper richtig mit der Baugruppe zu verbinden, erhöht sich auch die Montagezeit.
Hersteller Aavid Thermalloy Wakefield-Vette oder dergleichen mit einer Vielzahl von Kühlkörpern zu schaffen, wobei das Wärmeableitungselement optimiert umfasst eine speziellen Prozessor oder FPGA-Komponenten zu passen, usw. Andererseits ist der Strahler kann nach den Ergebnissen ausgewählt werden, da der die Wärmesenke um den Chip-Übergang zu reduzieren können thermische Impedanz Gesamtumgebungsluft Rθja ist es möglich, zu erreichen niedrigere Verbindungstemperatur bei einem bestimmten Stromverbrauch zu Kühlkörper.
Abbildung 1 zeigt einen Leistungstransistor in einem thermisch verbesserten Gehäuse, das für oben montierte PCB-Kühlkörper mit effizienter beidseitiger Wärmeableitung ausgelegt ist und zwischen der laufenden Verbindung und der Ober- und Unterseite der Leiterplatte gezeigt wird. Thermisches Impedanz-Rth-Netzwerk Der thermische Widerstand der Wärmesenke Rth zeigt die Effizienz der Wärmeübertragung von dem Kühlkörpersubstrat an die Umgebung an.
Erweitern Sie die Designfreiheit mit Heatpipes
In einigen Konstruktionen kann es aufgrund der Gesamtgröße, des Platinenlayouts oder der Begrenzung der Luftströmungsimpedanzen nicht geeignet sein, eine gewünschte Größe der Wärmesenke direkt mit einem Konverter-IC oder Leistungstransistor zu verbinden Die in 2 gezeigte Wärmesenke kann Folgendes bereitstellen Eine praktische Alternative, bei der Wärme von der Quelle an einen anderen Ort übertragen werden kann, an dem eine geeignete Wärmesenke platziert werden kann, um eine größere Luftströmung für die Wärmeableitung zu gewährleisten. Das Wakefield-Vette Modell 120231 kann bis zu 25W leisten Thermische Belastung, aber seine Größe ist nur 6 mm im Durchmesser × 100 mm lang.
Selbst ist kein Wärmerohr-Heizkörper, sondern eine Kanalabdichtung, die von dem Prinzip der Phasenänderungswärmeübergang vom heißen Ende zum kalten Ende am heißen Ende verwendet wird, und das Arbeitsfluid durch Wärme in den Verdampferrohren absorbieren, nachdem der Dampf kondensiert und fließt in das kalte Ende Flüssigkeit wird in der Prozessflüssigkeit Abgabe von Wärme dann an dem heißen Ende des Rohres und der Vorgang wird wiederholt. einer der Vorteile des Wärmerohres keine Leistung erforderlich, um den Phasenänderungsmechanismus, und der Konstrukteur frei abstrahlenden kann Rohr zu halten kaltes Ende in der am besten geeigneten Position ausgewählt.
Druckluftabkühlen
Wenn ein Kühlkörper oder passiver Kanal Wärmemanagement nicht die gewünschte Übergangstemperatur erreichen, die Verwendung von hochwertigem Delta Electronics Hersteller Lüftern Zwangsluftkühlung und dergleichen berücksichtigen. Durch die Größe des Ventilators auswählen und die Lüftergeschwindigkeit durch Erhöhung einzustellen oder reduzieren Luftstrom (Kubikfuß / Minute (CFM)), kann optimiert und flexible Kühlwirkung werden.
Fazit
Ein geeignetes Wärmemanagement ist entscheidend für die Maximierung der Leistung und Zuverlässigkeit von PCB-Stromversorgungen oder DC / DC-Wandlern.Entwickler haben eine große Anzahl von Werkzeugen, die verwendet werden können, aber ein Überentwurf muss vermieden werden, um übermäßiges Volumen zu verhindern. Hohe BOM-Kosten oder komplexere Herausforderungen bei der Montage Genaue Tools für die thermische Simulation sind kostenlos verfügbar, und diese Tools stellen eine visuelle Anleitung zur Bewältigung der Herausforderungen des Wärmemanagements dar, bevor mit dem Bau von Hardware begonnen wird, wie zum Beispiel kundenspezifische Kühlkörper, Kühlkanäle oder Kühlkörper Andere Technologien, wie z. B. Lüfter, können dazu beitragen, Systemeinschränkungen wie Platinenlayout oder Luftstrom zu überwinden.