심지어 최상의 전력 변환 시스템은 효율 전환 효율적인 열 관리, 파워 트랜지스터가 없습니다.이 열은 시스템의 안정성에 대한 도전이다 적은 에너지가 열하게 달성되지 않는 100 %에 도달하지 않는다 저항기와 같은 발열 부품은 작동 중에 과열되어 조기에 고장 나거나 극단적 인 경우 최대 정격 온도를 초과하여 부품이 급속히 손상 될 수 있습니다.
신뢰도는 냉각을 장려하여 신뢰성을 향상시키는 Arrhenius의 법칙을 따릅니다. 부품의 작동 온도를 10 ° C 낮추면 수명이 두 배 늘어날 수 있으며, 또한 접합부 온도를 낮추어 전력 용량을 늘릴 수 있습니다. 또한 넓은 범위의 주변 온도에서 전원 공급 장치를 안전하게 작동 할 수 있습니다.
소량의 전기 에너지는 파워 트랜지스터에 들어간 후에 부하로 전달되지 않지만 각 소자의 접합부에서 열로 소산됩니다. 접합 온도와 소비 전력의 관계는 다음과 같습니다.
Tjmax = (PDmax × Rθja) + Ta
여기서 Tjmax는 접합 온도 PDmax는 소비되는 최대 전력입니다. Rθja는 주변 환경에 대한 접합부의 열 저항입니다. Ta는 주변 온도입니다
전원 공급 장치 설계의 목표는 시트 효율 곡선이 디바이스의 최대 전력을 추정하는데 사용될 수있는 필요한 신뢰성. 보장 장치를 보호하기 위해 접합부 온도뿐만 아니라 설계하는 경우에는, 마찬가지로, 접합 온도를 주위 저항 Rθja는 PCB 금속 화 및 공기 흐름과 같은 기타 냉각 효과를 고려한 데이터 시트 곡선에서 찾을 수 있습니다.
요구되는 전력이 부하에 공급 될 때 허용 가능한 접합 온도가 달성되지 않으면 설계 노력은 Rθja 감소에 초점을 맞추어야한다.이를 달성하기위한 몇 가지 기술적 인 방법이있다.
패키지 선택 전통적인 리드 연결을 대체 할 수있는 열효율이보다 우수한 클램프 또는 칩 밑면 또는 윗면의 확장 된 금속 화 영역 또는 양면의 양면 냉각과 같은 패키지의 고유 한 향상 기능을 활용하십시오. 이 영역은 히트 싱크 또는 노출 된 금속 패드에 직접 연결되며 PCB 금속층 또는 히트 싱크에 납땜 할 수 있습니다 보드 디자인 증가 된 구리 두께를 포함하거나 히트 싱크에 직접 연결됩니다 (예 : 무거운 금속) 히트 싱크 아래에 열 비아 추가하기 매우 높은 열 손실이 필요한 경우 절연 금속 기판을 고려하십시오. 히트 싱크 또는 히트 싱크와 같은 직접적인 열 관리 기법을 냉각 팬과 함께 사용할 수 있습니다.
문제는 수용 가능한 크기와 무게, BOM (bill of material) 비용에 대한 영향 등이 가장 우수한 결과를 얻을 수있는 기술입니다. 분명한 답변은 없지만 매우 분명합니다 과도하거나 불충분 한 열 솔루션은 바람직하지 않은 잠재적 결과를 낳습니다.
여러 프로토 타입 디자인을 구축하여 다양한 열 설계를 연구하는 것은 가능하지 않지만 선택한 솔루션이 프로젝트 마지막에 적합하지 않다는 것을 알게되면 보드를 재 설계하여 추가 통풍구를 추가하거나 다른 통풍구로 전환하십시오 패키지 유형 또한 비실용적 일 수 있습니다.
다행스럽게도 우리는 설계에 도움이되는 도구를 제공합니다.이 열 시뮬레이션 소프트웨어는 엔지니어가 시스템 관점에서 열 동작을보고 첫 번째 프로토 타입을 구현하기 전에 문제 영역을 식별하는 데 유용합니다.
일부 열 시뮬레이션 온라인 툴은 무료로 제공되며 TI의 WebTHERMTM은 WEBENCH® 온라인 환경을 사용하여 생성 된 전력 설계의 열 분석의 한 예입니다. 선택한 컨트롤러 또는 DC / DC 컨버터 IC를 사용하면, 전원 입력 및 출력 전압 범위 요구 사항 외에도 전원 공급 장치는 원래 WEBENCH 프로젝트로 설계 될 수 있습니다.
기본 설계가 완료되면, 재료의 WEBENCH 빌 추정과 전력 손실 계산 Rθja 파라미터는, 이들 파라미터를 수동 Tjmax를 계산하는 주위 온도 데이터를 알 수있다 수있다. WebTHERM 실행은 사용자가 그래픽 적으로 시뮬레이션 열적 특성을 볼 수 있으며 또한 일부 보조 효과를 표시 할 수 있습니다, 이러한 공동 구성 요소와 같은 열 효과를 신속하게 관심이 필요한 영역을 결정하는 데 도움이, 시뮬레이션 결과는 색 온도의 곡선을 시각화하기 어려울 수 있습니다.
시뮬레이션을 실행할 때 사용자는 부하 전류, 상단 및 하단 주위 온도, 장치 케이스 온도 및 기타 매개 변수 설정을 입력해야합니다. 열 시뮬레이션은 몇 분 내에 완료 할 수 있으며 결과는 색온도 곡선을 통해 그래픽으로 분석 할 수 있습니다. 디자인은 WEBENCH로 변경할 수 있으며, PCB 레이어의 보드 크기 또는 구리 소재 특성을 변경하거나 열 비아를 추가하거나 조정하여 열 성능을 더욱 최적화 할 수 있습니다.
열 시뮬레이션을 여러 번 실행하고 결과를 비교하여 온도 달성을위한 허용 가능한 설계를 결정할 수 있습니다. 적절한 Tjmax를 보장 할 수없는 경우 히트 싱크 또는 히트 싱크와 같은 추가 열 관리 기능을 사용하여 시스템에서 더 빠르게 액세스 할 수 있습니다. 열을 제거하십시오. 온도 곡선은주의가 필요한 부분에 초점을 맞출 수 있습니다.
방열판 추가
히트 싱크는 이해하기 쉽고 신뢰성이 높으며 움직이는 부품이없고 문제가없는 모드가 없으며 운영비가 필요하지 않습니다. 히트 싱크는 일반적으로 알루미늄 또는 구리와 같은 재질로 만들어져 있으며 각 트랜지스터의 간단한 스탬프 금속 날개에서 밀링 또는 압출 부품 - 핀은 열 전달을 최대화하기 위해 대류 공기 흐름을 차단하도록 설계되어 있습니다. 뜨거운 공기 흐름이 상승하면 대류가 자연적으로 발생하여 공기 흐름이 지속됩니다. 입구에서 출구까지 장애물이 없도록주의해야합니다. 공기 흐름 유입구가 라디에이터 높이와 공기 흐름 배출구 아래에 있는지 확인하여 뜨거운 공기 흐름이 방열판 위에 정체되어 접합 온도가 올라가지 않도록하십시오.
히트 싱크는 많은 장점을 가지고 있지만 당신은 열 분산의 큰 숫자를 달성하려면,하지만, 볼륨이 매우 큰 매우 무겁고 비용이 많이들 수있다. 라디에이터 최적의 공기 흐름이 회로 보드 레이아웃의 위치에 영향을 미칠 수, 라디에이터는 먼지 나 오염 될 수있다 블로킹으로 냉각 효과에 영향을 미칩니다. 클램프 나 나사 또는 열 인터페이스 재료 (TIM) 레이어를 사용하여 방열판을 어셈블리에 올바르게 연결하면 어셈블리 시간이 늘어납니다.
Aavid Thermalloy 또는 Wakefield-Vette와 같은 제조업체는 프로세서 또는 FPGA와 같은 특정 구성 요소에 맞게 최적화 된 방열판을 포함하여 광범위한 방열판을 제공합니다. 반면에 방열판은 다음과 같은 이유로 계산에 따라 선택할 수 있습니다. 이러한 히트 싱크는 다이 접합부에서 히트 싱크까지의 전체 열 임피던스 Rθja를 감소 시키므로 특정 전력 손실에서 낮은 접합 온도를 가능하게합니다.
그림 1은 능률적 인 양면 방열로 상단 장착 PCB 방열판을 위해 설계된 방열 패키지의 전력 트랜지스터를 보여주는데,이 시스템은 주행 접합부와 PCB의 상단과 하단 사이에 위치한다. 열 임피던스 Rth 네트워크 열 싱크 Rth의 열 저항은 열 싱크 기판에서 주변 환경으로의 열 전달 효율을 나타냅니다.
히트 파이프로 디자인 자유 확장
일부 설계에서는 전체 크기, 보드 레이아웃 또는 공기 흐름 장애로 인해 원하는 크기의 방열판을 컨버터 IC 또는 파워 트랜지스터에 직접 연결하는 것이 적절하지 않을 수 있습니다. 그림 2에 표시된 방열판은 Wakefield-Vette 모델 120231은 열원을 열원에서 다른 방열구로 옮겨 열 방출을 위해 더 많은 공기 흐름을 제공 할 수있는 실용적인 대안입니다. Wakefield-Vette 모델 120231은 최대 25W 열 부하이지만 크기는 직경 6mm × 길이 100mm.
열 파이프 자체는 라디에이터가 아니고 상 변화 원리를 사용하여 고온에서 저온으로 열을 전달하는 밀폐 된 파이프이며 고온에서는 열이 흡수되어 튜브의 작동 유체가 증발 한 후 증기가 냉기쪽으로 흐르고 응축됩니다. 이 과정에서 열을 방출하는 액체 열은 파이프의 고온 끝 부분으로 되돌아가 과정을 반복합니다. 열 파이프의 장점 중 하나는 상 변화 메커니즘을 유지하는 데 전력이 필요하지 않으며 설계자는 열 파이프를 자유롭게 배치 할 수 있다는 것입니다. 콜드 엔드는 가장 적합한 위치에서 선택됩니다.
강제 공냉식
방열판 또는 수동 열관리 덕트 원하는 접합 온도가 달성되지 않은 경우, 팬의 크기를 선택함으로써. 공냉 등 강제 고품질 델타 전자 제조업체 팬의 사용을 고려하고, 증가 또는하여 팬 속도를 조절 최적화 된 유연한 냉각을 위해 감소 된 기류 (분당 입방 피트 (CFM)).
결론
PCB의 전원 공급 장치 또는 DC / DC 컨버터에 필수적인 성능과 신뢰성을 극대화하기위한 적절한 열 관리가. 디자이너 도구의 큰 숫자를 사용할 수 있지만 과도한 않도록 설계되어야 이상 과도한 볼륨을 방지하기 위해 높은 BOM 비용 또는 더 복잡한 조립 및 다른 문제. 무료로 제공 정확한 열 시뮬레이션 도구, 하드웨어를 구축하기 시작하기 전에 이러한 도구는 열 관리 문제를 해결하기 위해 시각적 인 지침을 제공 할 수 있습니다. 이러한 사용자 정의 히트 싱크, 히트 파이프 또는 냉각로 팬과 같은 다른 기술은 보드 레이아웃이나 공기 흐름과 같은 시스템 제한을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.