Даже самая лучшая система преобразования энергии, эффективность никогда не достигнет 100%. Небольшое количество нереализованной энергии преобразования станет теплом, что является проблемой надежности системы. Без эффективного управления температурой силовые транзисторы Теплогенерирующий компонент, такой как резистор, может перегреваться во время работы, что приводит к раннему отказу или, в крайнем случае, превышает его максимальную номинальную температуру, что приводит к быстрому повреждению компонентов.
Надежность соответствует закону Аррениуса, который поощряет охлаждение для повышения надежности: снижение рабочей температуры компонента на 10 ° C может удвоить срок его службы. Кроме того, принимаются меры для обеспечения более низкой температуры перехода, чтобы увеличить мощность. И позволяет блоку питания безопасно работать в более широком диапазоне температур окружающей среды.
Небольшое количество электрической энергии после входа в силовой транзистор не передается на нагрузку, а рассеивается как тепло на стыке каждого устройства. Связь между температурой перехода и потреблением энергии выглядит следующим образом:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
Где Tjmax - температура перехода PDmax - максимальная потребляемая мощность Rθja - тепловое сопротивление перехода к окружающей среде Ta - температура окружающей среды
При проектировании источника питания цель заключается в том, чтобы спроектировать температуру перехода не только для защиты устройства, но и для обеспечения требуемой надежности. Кривая эффективности работы с данным прибором может использоваться для оценки максимального потребления энергии, а также тепла из окружающей среды. Сопротивление Rθja можно найти в кривой данных, что также учитывает другие эффекты охлаждения, такие как металлизация печатных плат и воздушный поток.
Когда требуемая мощность подается на нагрузку, если приемлемая температура соединения не достигнута, проектные усилия должны быть направлены на уменьшение Rθja. Существует несколько технических способов достижения этой цели, в том числе:
Выбор упаковки. Воспользуйтесь преимуществами усовершенствования упаковки, такими как более термически эффективные зажимы для замены традиционных свинцовых соединений или расширенной зоны металлизации на нижней или верхней стороне чипа или двухстороннего охлаждения с обеих сторон. Область непосредственно подключается к радиатору или открытой металлической подушке и может быть припаян к металлизирующему слою печатной платы или к радиатору. Дизайн платы. Включает увеличенную толщину меди или напрямую подключен к радиатору (например, более тяжелый металл) Добавление тепловых отверстий под радиатор. Если вам требуется очень высокая теплоотдача, рассмотрите изолирующие металлические подложки. С охлаждающими вентиляторами можно использовать более прямые методы управления температурой, такие как радиаторы или радиаторы.
Вопрос в том, какая из этих технологий может обеспечить наилучшие результаты, такие как допустимый размер и вес, и минимальное влияние на стоимость материалов (BOM) и т. Д. Хотя ответа нет, это очень очевидно Избыточные или недостаточные тепловые решения имеют неблагоприятные потенциальные последствия.
Невозможно изучить различные тепловые проекты, создав несколько прототипов. С другой стороны, если вы обнаружите, что выбранное решение не подходит в конце проекта, перепроектируйте плату, чтобы добавить дополнительные вентиляционные отверстия или переключиться на другую Тип упаковки также может быть непрактичным.
К счастью, теперь у нас есть инструменты для помощи в разработке. Это программное обеспечение для моделирования тепловой энергии помогает инженерам смотреть на тепловое поведение с точки зрения системы и выявлять проблемные области перед реализацией первого прототипа.
Некоторые онлайн-инструменты для термического моделирования доступны даже бесплатно, а WebTHERMTM - один из примеров теплового анализа энергетических конструкций, созданных с использованием онлайн-среды WEBENCH®. Используя выбранные контроллеры или интегральные схемы DC / DC, В дополнение к требованиям к диапазону мощности и выходного напряжения источник питания может быть первоначально спроектирован как проект WEBENCH.
После завершения базовой конструкции WEBENCH может оценить спецификацию материалов и рассчитать такие параметры, как потери мощности и Rθja, которые могут быть использованы для расчета Tjmax вручную с известными данными о температуре окружающей среды. Путем запуска моделирования webTHERM пользователь может графически просматривать тепловые характеристики и Он также может отображать некоторые вспомогательные эффекты, такие как общий термический эффект компонентов, которые могут быть трудно визуализированы. Результатом моделирования является кривая цветовой температуры, которая помогает быстро определить интересующую область.
При запуске моделирования пользователю необходимо ввести ток нагрузки, верхнюю и нижнюю температуру окружающей среды, температуру корпуса устройства и другие параметры. Тепловое моделирование может быть завершено через несколько минут, и результаты могут быть графически проанализированы с помощью кривой цветовой температуры. Конструкцию можно изменить в WEBENCH, а тепловые характеристики можно дополнительно оптимизировать, изменив размеры платы или характеристики медного материала на любом слое печатной платы или добавив и отрегулировав термические переходы.
Термическое моделирование может выполняться несколько раз, а результаты сравниваются, чтобы определить приемлемую конструкцию температуры. Если соответствующий Tjmax не может быть обеспечен, для более быстрого доступа из системы могут использоваться дополнительные функции управления теплом, такие как радиаторы или радиаторы. Извлеките тепло. Температурные кривые могут помочь сосредоточиться на областях, требующих внимания.
Добавить теплоотвод
Теплоотвод прост в понимании и очень надежный, не имеет подвижных частей, без проблем и не требует каких-либо эксплуатационных затрат. Радиаторы обычно изготавливаются из таких материалов, как алюминий или медь, от простых металлических крышек с металлическим штампом для отдельных транзисторов до фрезерования или Экструзионные детали, в которых ребра предназначены для перехвата конвективного потока воздуха для максимальной теплопередачи. По мере того, как поток горячего воздуха поднимается, естественно возникает конвекция, которая позволяет поддерживать воздушный поток. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить беспрепятственный газ от входа к выпускному отверстию. Поток и убедитесь, что вход воздушного потока находится ниже уровня радиатора и выхода воздуха. Это помогает предотвратить замерзание горячего воздуха над радиатором во избежание повышения температуры перехода.
Хотя теплоотводы имеют много преимуществ, они могут быть громоздкими, громоздкими и дорогостоящими, если рассеивается большое количество тепла. Расположение радиатора, обеспечивающего оптимальный поток воздуха, может повлиять на расположение платы, а радиатор может быть пыльным или грязным. Блокировка, влияющая на эффект охлаждения. Использование зажимов или винтов или слоя материала термического интерфейса (TIM) для правильного подключения радиатора к сборке также увеличит время сборки.
Производители, такие как Aavid Thermalloy или Wakefield-Vette, предлагают широкий ассортимент радиаторов, включая радиаторы, оптимизированные для соответствия определенным компонентам, таким как процессоры или FPGA. С другой стороны, радиаторы могут быть выбраны на основе расчетов из-за Эти теплоотводы уменьшают общий тепловой импеданс Rθja воздуха от переходного элемента к теплоотводу, что позволяет снизить температуру перехода при удельной рассеиваемой мощности.
На рисунке 1 показан силовой транзистор в термообработанной упаковке, предназначенной для высоконагруженных радиаторов печатных плат с эффективной двухсторонней теплоотдачей. Система показана между рабочим узлом и верхней и нижней частью печатной платы. Тепловое сопротивление Rth-сети. Тепловое сопротивление радиатора Rth указывает на эффективность передачи тепла от подложки радиатора в окружающую среду.
Расширить свободу проектирования с помощью тепловых труб
В некоторых конструкциях из-за общего размера, макета платы или ограничений на препятствие воздушному потоку может быть нецелесообразно соединять желаемый размер радиатора непосредственно с преобразователем IC или силовым транзистором. Теплоотвод, показанный на рисунке 2, может обеспечить Практическая альтернатива, позволяющая переносить тепло от источника в другое место, где может быть установлен подходящий теплоотвод, чтобы обеспечить больший поток воздуха для рассеивания тепла. Модель Waketon-Vette 120231 может выдерживать до 25 Вт Тепловая нагрузка, но ее размер составляет всего 6 мм в диаметре × 100 мм в длину.
Сама тепловая труба не является радиатором, а герметичной трубой, которая передает тепло от горячего конца к холодному концу, используя принцип изменения фазы. На горячем конце тепло поглощается и рабочая жидкость в трубке испаряется, после чего пар течет к холодному концу и конденсируется в Жидкость, которая выделяет тепло во время этого процесса. Затем жидкость возвращается к горячему концу трубы и повторяет процесс. Одно из преимуществ тепловой трубы заключается в том, что для поддержания механизма изменения фазы не требуется никакой энергии, и дизайнер может свободно размещать тепловую трубу Холодный конец выбирается в наиболее подходящем положении.
Принудительное воздушное охлаждение
Если управление пассивным соединением с использованием радиатора или радиатора не достигает желаемой температуры перехода, рассмотрите возможность использования высококачественного вентилятора от производителя, такого как Delta Electronics для принудительного воздушного охлаждения. Увеличьте размер, выбрав размер вентилятора и отрегулируйте скорость вращения вентилятора. Уменьшенный воздушный поток (кубические футы в минуту (CFM)) для оптимизированного и гибкого охлаждения.
вывод
Правильное тепловое управление имеет решающее значение для максимизации производительности и надежности блоков питания печатных плат или DC / DC-преобразователей. У дизайнеров имеется большое количество инструментов, которые можно использовать, но для предотвращения чрезмерного объема следует избегать чрезмерного проектирования. Высокие затраты на BOM или более сложные проблемы сборки. Точные инструменты симуляционного моделирования доступны бесплатно, и эти инструменты обеспечивают визуальное руководство по решению проблем управления тепловыми ресурсами перед началом сборки оборудования. Например, Другие технологии, такие как вентиляторы, могут помочь преодолеть системные ограничения, такие как макет платы или воздушный поток.