Anche il miglior sistema di conversione di potenza, l'efficienza non raggiungerà mai il 100%: una piccola quantità di energia di conversione non realizzata diventerà calore, che rappresenta la sfida dell'affidabilità del sistema: senza un'efficiente gestione termica, transistor di potenza Un componente generante calore come un resistore potrebbe surriscaldarsi durante il funzionamento, causando un guasto precoce o, in casi estremi, il superamento della sua temperatura nominale massima, con conseguenti danni ai componenti rapidi.
L'affidabilità segue la legge di Arrhenius, che incoraggia il raffreddamento per migliorare l'affidabilità: l'abbassamento della temperatura di esercizio di un componente di 10 ° C può raddoppiare la sua durata. Inoltre, vengono prese misure per garantire una temperatura di giunzione inferiore per aumentare la capacità di potenza. E consente all'alimentatore di funzionare in sicurezza in un intervallo più ampio di temperature ambiente.
Una piccola quantità di energia elettrica, dopo essere entrata nel transistor di potenza, non viene trasmessa al carico, ma viene dissipata sotto forma di calore alla giunzione di ciascun dispositivo.La relazione tra temperatura di giunzione e consumo energetico è la seguente:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
Dove Tjmax è la temperatura di giunzione PDmax è la potenza massima consumata Rθja è la resistenza termica della giunzione all'ambiente circostante Ta è la temperatura ambiente
Quando si progetta un alimentatore, l'obiettivo è di progettare la temperatura di giunzione non solo per proteggere il dispositivo, ma anche per garantire l'affidabilità richiesta.La curva di efficienza della scheda dati del dispositivo può essere utilizzata per stimare il massimo consumo energetico, nonché il calore dell'ambiente circostante. La resistenza Rθja può essere trovata nella curva della scheda tecnica, che tiene conto anche di altri effetti di raffreddamento come la metallizzazione PCB e il flusso d'aria.
Quando viene fornita la potenza richiesta al carico, se la temperatura di giunzione accettabile non viene raggiunta, lo sforzo di progettazione deve concentrarsi sulla riduzione di Rθja. Ci sono diversi modi tecnici per raggiungere questo obiettivo, tra cui:
Seleziona confezione pacchetto pieno uso miglioramenti insiti quale alta efficienza termica mascella per sostituire collegamenti elettrici convenzionali, o sul lato superiore o sul lato del chip della aree lamiera stirata, duplex o raffreddamento su due lati. Questi pastiglie metalliche collegate direttamente all'area dissipatore o esposte possono essere saldati ad una PCB o uno strato metallico collegato al radiatore. disegno del circuito, compresi aumentando lo spessore del rame, o direttamente collegati al radiatore (ad esempio, metalli pesanti strato) dell'elemento di dissipazione di calore aumenta vias termici indicati. se molto elevata dissipazione del calore, possono anche essere considerati substrato metallico coibentato. altre tecniche di gestione termica diretta, ad esempio un radiatore o un tubo di calore, possono essere utilizzati in combinazione con una ventola di raffreddamento.
La domanda ora è quale di queste tecnologie può ottenere i migliori risultati, come dimensioni e peso accettabili e impatto minimo sui costi delle distinte base (BOM), ecc. Sebbene non ci sia una risposta chiara, è molto ovvio Soluzioni termiche eccessive o insufficienti hanno conseguenze sfavorevoli.
Non è possibile studiare diversi progetti termici costruendo progetti di prototipi multipli, d'altra parte, se si scopre che la soluzione selezionata non è adatta alla fine del progetto, ridisegnare la scheda per aggiungere ulteriori sfiati o passare ad altri Il tipo di pacchetto potrebbe anche non essere pratico.
Fortunatamente ora abbiamo gli strumenti per aiutare nella progettazione: questo software di simulazione termica aiuta gli ingegneri a considerare il comportamento termico dal punto di vista del sistema e ad identificare le aree problematiche prima di implementare il primo prototipo.
Alcuni strumenti online di simulazione termica sono anche disponibili gratuitamente e il WebTHERMTM di TI è un esempio di analisi termica dei progetti di alimentazione creati utilizzando l'ambiente online WEBENCH®. Utilizzando controller selezionati o circuiti integrati per convertitori DC / DC, Oltre ai requisiti di alimentazione e di tensione in uscita, l'alimentatore può essere originariamente progettato come progetto WEBENCH.
Dopo il disegno di base è completa, il conto WEBENCH di materiali può essere stimato e calcolato perdite di potenza e parametri Rθja, questi parametri può essere conosciuto con i dati di temperatura ambiente per calcolare manualmente TjMax. WebTHERM esecuzione consente agli utenti di visualizzare graficamente le proprietà termiche di simulazione, e può anche mostrare alcuni effetti secondari, effetti termici come co-componenti possono essere difficile visualizzare il risultato di simulazione è una curva di temperatura di colore, aiuta a determinare rapidamente l'area richiesta di interesse.
Quando si esegue la simulazione, l'utente deve immettere la corrente di carico, la temperatura ambiente superiore e inferiore e la temperatura della custodia del dispositivo e altre impostazioni dei parametri.La simulazione termica può essere completata in pochi minuti ei risultati possono essere analizzati graficamente attraverso una curva della temperatura del colore. Il design può essere modificato in WEBENCH e le prestazioni termiche possono essere ulteriormente ottimizzate modificando le dimensioni della scheda o le caratteristiche del materiale in rame su qualsiasi strato PCB o aggiungendo e regolando i vias termici.
Le simulazioni termiche possono essere eseguite più volte e i risultati confrontati per determinare un progetto di temperatura accettabile.Se non è possibile garantire il Tjmax appropriato, è possibile utilizzare funzioni di gestione termica aggiuntive quali dissipatori di calore o dissipatori di calore per un accesso più rapido dal sistema. Rimuovere il calore Le curve di temperatura possono aiutare a concentrarsi su aree che richiedono attenzione.
Aggiungi il dissipatore di calore
Il dissipatore di calore è facile da capire e molto affidabile, non ha parti mobili, non ha problemi di funzionamento e non richiede costi operativi.I dissipatori di calore sono generalmente realizzati con materiali come alluminio o rame, che vanno dalle semplici ali in metallo stampato per singoli transistor alla fresatura o Parti di estrusione, in cui le alette sono progettate per intercettare il flusso d'aria convettiva per il massimo trasferimento di calore.Quando aumenta il flusso di aria calda, si verifica naturalmente la convezione, che consente al flusso d'aria di persistere. Flusso e garantire che l'ingresso del flusso d'aria si trovi al di sotto del livello del radiatore e dell'uscita del flusso d'aria, in modo da evitare che il flusso d'aria calda ristagni sopra il dissipatore di calore per evitare possibili aumenti della temperatura di giunzione.
Sebbene il dissipatore di calore ha molti vantaggi, ma se si vuole raggiungere un gran numero di dissipazione del calore, il volume potrebbe essere molto grande, molto pesante e costosa. Radiatore flusso d'aria ottimale può influenzare la posizione del layout del circuito, il radiatore può essere polvere o sporcizia intasamento, influenzando così l'effetto di raffreddamento. ganasce o utilizzando una vite o uno strato di materiale di interfaccia termica (TIM) è collegato correttamente al dissipatore di calore, aumenta anche il tempo di assemblaggio.
Produttori come Aavid Thermalloy o Wakefield-Vette offrono una vasta gamma di dissipatori di calore, inclusi dissipatori di calore ottimizzati per adattarsi a componenti specifici come processori o FPGA. D'altra parte, i dissipatori di calore possono essere selezionati in base a calcoli, a causa di Questi dissipatori di calore riducono l'impedenza termica complessiva Rθja dell'aria dalla giunzione della matrice al dissipatore di calore, consentendo così una temperatura di giunzione inferiore a una specifica dissipazione di potenza.
La Figura 1 mostra un transistor di potenza in un pacchetto termicamente avanzato progettato per dissipatori di calore con PCB montati in alto con un'efficace dissipazione del calore su entrambi i lati.Il sistema è mostrato tra la giunzione in esecuzione e la parte superiore e inferiore del PCB. Rete Rth a impedenza termica La resistenza termica del dissipatore Rth indica l'efficienza del trasferimento di calore dal substrato del dissipatore di calore all'ambiente circostante.
Estendi la libertà di design con i tubi di calore
In alcuni progetti, a causa delle dimensioni complessive, del layout della scheda o dei limiti di impedimento del flusso d'aria, potrebbe non essere adatto per collegare una dimensione desiderata del dissipatore di calore direttamente a un convertitore IC o transistor di potenza. Un'alternativa pratica che consente il trasferimento del calore dalla sorgente in un'altra posizione in cui è possibile posizionare un dissipatore adatto per fornire un maggiore flusso d'aria per la dissipazione del calore.Il modello Wakefield-Vette 120231 può sopportare fino a 25 W Carico termico, ma le sue dimensioni sono di soli 6 mm di diametro × 100 mm di lunghezza.
Sé non è radiatore di calore del tubo, ma un sigillo condotto in base al principio della fase di trasferimento cambiamento calore dall'estremità calda al fine freddo al fine caldo, e il fluido di lavoro assorbendo calore nei tubi dell'evaporatore dopo il vapore viene condensato e sfocia nel estremità fredda liquido, rilasciando calore nel liquido di processo viene quindi restituito al fine calda del tubo e il processo si ripete. uno dei vantaggi del tubo di calore non è richiesta energia per mantenere il meccanismo di cambiamento di fase, e il progettista può liberamente radiante tubo L'estremità fredda viene selezionata nella posizione più adatta.
Raffreddamento ad aria forzata
Se la gestione della giunzione passiva che utilizza un dissipatore di calore o un dissipatore di calore non raggiunge la temperatura di giunzione desiderata, valutare l'utilizzo di un ventilatore di alta qualità di un produttore come Delta Electronics per il raffreddamento forzato dell'aria. Flusso d'aria ridotto (piedi cubici al minuto (CFM)) per un raffreddamento ottimizzato e flessibile.
conclusione
Un'adeguata gestione termica è fondamentale per massimizzare le prestazioni e l'affidabilità degli alimentatori di PCB o convertitori DC / DC. I progettisti dispongono di un numero elevato di strumenti che possono essere utilizzati, ma è necessario evitare la progettazione eccessiva per evitare un volume eccessivo. Elevati costi delle BOM o sfide di assemblaggio più complesse: strumenti di simulazione termica precisi sono disponibili gratuitamente e questi strumenti forniscono una guida visiva per affrontare le sfide di gestione termica prima di iniziare a costruire hardware, come dissipatori di calore personalizzati, condotti di raffreddamento o raffreddamento Altre tecnologie, come i fan, possono aiutare a superare i limiti del sistema, come il layout della scheda o il flusso d'aria.