Incluso el mejor sistema de conversión de energía, la eficiencia nunca llegará al 100%. Una pequeña cantidad de energía de conversión no realizada se convertirá en calor, que es el desafío de la fiabilidad del sistema. Sin una gestión térmica eficiente, transistores de potencia Un componente generador de calor tal como una resistencia puede sobrecalentarse durante la operación, lo que da como resultado una falla temprana o, en casos extremos, exceder su temperatura nominal máxima, lo que produce un daño rápido en los componentes.
La confiabilidad sigue la ley de Arrhenius, que fomenta el enfriamiento para mejorar la confiabilidad: reducir la temperatura de funcionamiento de un componente en 10 ° C puede duplicar su vida. Además, se toman medidas para asegurar una temperatura de unión más baja para aumentar la capacidad de potencia. Y permite que la fuente de alimentación funcione con seguridad en un rango más amplio de temperaturas ambiente.
Una pequeña cantidad de energía eléctrica, luego de ingresar al transistor de potencia, no se transmite a la carga, sino que se disipa como calor en la unión de cada dispositivo. La relación entre la temperatura de unión y el consumo de energía es la siguiente:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
Donde Tjmax es la temperatura de unión PDmax es la potencia máxima consumida Rθja es la resistencia térmica de la unión al entorno circundante Ta es la temperatura ambiente
Cuando el diseño de fuente de alimentación, el objetivo es diseñar no sólo la temperatura de la unión para proteger el dispositivo, también asegura que la fiabilidad requerida. Curva de eficiencia Hoja de datos se puede utilizar para estimar la potencia máxima del dispositivo, de manera similar, la unión a ambiente térmica barrera Rθja se puede encontrar a partir de las curvas de la hoja de datos, la curva tiene en cuenta el efecto de enfriamiento de los otros, de factores tales como el grado de metalización y PCB de aire y similares.
Al proporcionar la potencia necesaria para la carga, si no llegar a un temperatura de unión aceptable, el diseño debe centrarse en la reducción Rθja algunas técnicas pueden ser utilizadas para lograr de esta manera, estos incluyen:
Elección del paquete: aproveche las mejoras inherentes del paquete, como las abrazaderas térmicamente más eficientes para reemplazar las conexiones de cables tradicionales, o el área de metalización expandida en la parte inferior o superior del chip o la refrigeración de doble cara en ambos lados. El área está directamente conectada al disipador de calor o la placa metálica expuesta y puede soldarse a la capa de metalización de PCB o al disipador de calor. Diseño de placa. Incluye mayor espesor de cobre o conectado directamente al disipador de calor (por ejemplo, metal más pesado) Adición de vías térmicas debajo del disipador de calor. Si necesita una disipación de calor muy alta, considere la posibilidad de aislar sustratos metálicos. Se pueden utilizar técnicas de gestión térmica más directas, como disipadores de calor o disipadores de calor, con ventiladores de refrigeración.
La pregunta ahora es cuál de estas tecnologías puede lograr los mejores resultados, como tamaño y peso aceptables, y un impacto mínimo en los costos de la lista de materiales (BOM), etc. Aunque no hay una respuesta clara, es muy obvio Las soluciones térmicas excesivas o insuficientes tienen consecuencias potenciales desfavorables.
Mediante la construcción de una pluralidad de diferentes prototipos a la práctica de diseño térmico no es factible. Por otra parte, si las soluciones seleccionadas encontraron en un proyecto inapropiado rediseño después la placa de circuito para añadir agujeros de refrigeración adicionales o utilizar otro El tipo de paquete también puede ser poco práctico.
Afortunadamente, ahora tenemos las herramientas a mano para ayudar con el diseño. Este software de simulación térmica ayuda a los ingenieros a observar el comportamiento térmico desde una perspectiva del sistema e identificar las áreas problemáticas antes de implementar el primer prototipo.
Algunas herramientas en línea de simulación térmica están disponibles de forma gratuita, y WebTHERMTM de TI es un ejemplo de un análisis térmico de los diseños de potencia creados con el entorno en línea WEBENCH®. Utilizando controladores seleccionados o circuitos integrados de conversión DC / DC, Además de los requisitos del rango de tensión de entrada y salida de potencia, la fuente de alimentación puede diseñarse originalmente como un proyecto WEBENCH.
Después de que el diseño básico se ha completado, el proyecto de ley WEBENCH de los materiales se puede estimar y calcula la pérdida de potencia y los parámetros Rθja, estos parámetros puede ser conocido con los datos de temperatura ambiente para calcular manualmente Tjmax. WebTHERM funcionamiento permite a los usuarios ver gráficamente las propiedades térmicas de simulación, y También puede mostrar algunos efectos auxiliares, como el efecto térmico común de los componentes que pueden ser difíciles de visualizar. El resultado de la simulación es una curva de temperatura de color que ayuda a determinar rápidamente el área de interés.
Al ejecutar la simulación, el usuario debe ingresar la corriente de carga, la temperatura ambiente superior e inferior y la temperatura de la caja del dispositivo y otros parámetros. La simulación térmica puede completarse en unos minutos y los resultados pueden analizarse gráficamente mediante una curva de temperatura de color. El diseño se puede cambiar en WEBENCH, y el rendimiento térmico puede optimizarse aún más cambiando el tamaño de la placa o las características del material de cobre en cualquier capa de PCB, o agregando y ajustando vías térmicas.
Simulación térmica se puede ejecutar múltiples veces y los resultados se compararon para determinar la temperatura para lograr un diseño aceptable. Si no se puede garantizar la adecuada para Tjmax, puede utilizar el fregadero o de gestión de funciones adicionales de calor de tubo de calor, etc., con el fin de forma más rápida desde el sistema de Elimine el calor. Las curvas de temperatura pueden ayudar a enfocarse en las áreas que requieren atención.
Agregar disipador de calor
Radiador fácil de entender y muy fiable, sin partes móviles, no del modo de fallo, sin costos de operación. Radiador materiales tales como aluminio o cobre de uso común, que puede ir desde la simple ala metal estampado para un solo transistor, a la molienda o de miembro, en el que las aletas están diseñados para interceptar el flujo de aire para maximizar la transferencia de calor por convección de prensado. como se eleva el aire caliente, se producirá la convección natural, que puede persistir corriente debe tener cuidado para asegurar que el gas desde la entrada hasta la salida sin obstáculos fluir, y para garantizar que el radiador está situado por debajo del nivel de entrada de aire y salida de aire. esto puede ayudar a prevenir el estancamiento de aire caliente sobre el elemento disipador de calor, con el fin de evitar un posible aumento de la temperatura de la unión.
Aunque los disipadores de calor tienen muchas ventajas, pueden ser voluminosos, voluminosos y costosos si se disipan grandes cantidades de calor. La ubicación del disipador de calor que logra un flujo de aire óptimo puede afectar el diseño de la placa y el disipador de calor puede estar sucio o polvoriento. Bloqueo, lo que afecta el efecto de enfriamiento. El uso de abrazaderas o tornillos o una capa de material de interfaz térmica (TIM) para conectar correctamente el disipador de calor al conjunto también aumentará el tiempo de montaje.
Fabricante Aavid Thermalloy Wakefield-Vette o similar para proporcionar una amplia variedad de disipador de calor, en el que el miembro de disipación de calor comprende optimizado para adaptarse a una componentes del procesador o FPGA particulares, etc. Por otra parte, el radiador puede ser seleccionado de acuerdo con los resultados, ya que la el disipador de calor puede reducir la unión de chip para calentar hundirse impedancia térmica global del aire ambiente Rθja, es posible lograr un menor temperatura de la unión a un consumo de energía específico.
La Figura 1 muestra un envase mejorado térmicamente usando un transistor de potencia, una parte superior diseñada para una refrigeración eficaz de un disipador de calor de doble cara PCB está montado, el sistema se muestra como una unión entre la PCB y el lado inferior y los alrededores en la operación Impedancia térmica Red Rth. La resistencia térmica del disipador de calor Rth indica la eficiencia de la transferencia de calor desde el sustrato del disipador de calor al entorno circundante.
Extienda la libertad de diseño con tubos de calor
En algunos diseños, debido al tamaño general, la disposición de la placa o las limitaciones de impedimento del flujo de aire, puede que no sea adecuado conectar un tamaño deseado de disipador de calor directamente a un convertidor IC o transistor de potencia. El disipador de calor que se muestra en la Figura 2 puede proporcionar Una alternativa práctica que permite transferir calor de la fuente a otra ubicación donde se puede colocar un disipador de calor adecuado para proporcionar un mayor flujo de aire para la disipación de calor. El modelo 120231 de Wakefield-Vette puede soportar hasta 25 W Carga térmica, pero su tamaño es solo de 6 mm de diámetro × 100 mm de longitud.
Sí no es radiador tubo de calor, pero un sello de conductos, utilizando el principio de la transferencia de cambio de calor en fase desde el extremo caliente al extremo frío en el extremo caliente, y el fluido de trabajo mediante la absorción de calor en los tubos de evaporación después de que el vapor se condensa y fluye hacia el extremo frío líquido, liberación de calor en el líquido de proceso se devuelve entonces al extremo caliente de la tubería y el proceso se repite. una de las ventajas del tubo de calor no se requiere energía para mantener el mecanismo de cambio de fase, y el diseñador puede libre radiación tubería El extremo frío se selecciona en la posición más adecuada.
Refrigeración por aire forzado
Si la administración de unión pasiva usando un disipador de calor o disipador de calor no alcanza la temperatura de unión deseada, considere usar un ventilador de alta calidad de un fabricante como Delta Electronics para enfriamiento por aire forzado. Incremente el tamaño seleccionando el tamaño del ventilador y ajustando la velocidad del ventilador. Flujo de aire reducido (pies cúbicos por minuto (CFM)) para un enfriamiento optimizado y flexible.
Conclusión
La gestión térmica adecuada es fundamental para maximizar el rendimiento y la fiabilidad de las fuentes de alimentación de PCB o los convertidores de CC / CC. Los diseñadores tienen una gran cantidad de herramientas que se pueden utilizar, pero se debe evitar el exceso de diseño para evitar un volumen excesivo. Costos de BOM elevados o desafíos de ensamblaje más complejos. Hay herramientas de simulación térmica precisas disponibles de forma gratuita, y estas herramientas proporcionan una guía visual para enfrentar los desafíos de la administración térmica antes de comenzar a construir hardware. Otras tecnologías, como los ventiladores, pueden ayudar a superar las limitaciones del sistema, como el diseño de la placa o el flujo de aire.