แม้จะมีระบบแปลงพลังงานที่ดีที่สุดประสิทธิภาพจะไม่ถึง 100% แต่พลังงานแปลงน้อยที่ยังไม่เกิดขึ้นจะกลายเป็นความร้อนซึ่งเป็นความท้าทายของความน่าเชื่อถือของระบบหากไม่มีการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพทรานซิสเตอร์กำลัง คอมโพเนนต์ที่ให้ความร้อนเช่นตัวต้านทานอาจร้อนมากเกินไปในระหว่างการใช้งานส่งผลให้เกิดความผิดพลาดในช่วงแรกหรือในกรณีที่รุนแรงเกินกว่าอุณหภูมิที่กำหนดสูงสุดทำให้เกิดความเสียหายชิ้นส่วนอย่างรวดเร็ว
การลดอุณหภูมิในการทำงานของส่วนประกอบลงได้ถึง 10 องศาเซลเซียสสามารถเพิ่มอายุการใช้งานได้เป็นสองเท่านอกจากนี้ยังมีมาตรการเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิในการเชื่อมต่อที่ต่ำเพื่อเพิ่มกำลังการผลิต และช่วยให้แหล่งจ่ายไฟสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่กว้างขึ้น
พลังงานไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยหลังจากป้อนทรานซิสเตอร์กำลังจะไม่ส่งไปยังโหลด แต่จะกระจายตัวเป็นความร้อนที่จุดเชื่อมต่อของแต่ละอุปกรณ์ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิการเชื่อมต่อกับการใช้พลังงานจะเป็นดังนี้:
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
ในกรณีที่ Tjmax เป็นจุดเชื่อมต่อ PDmax คือพลังงานสูงสุดที่บริโภคRθjaคือค่าความต้านทานความร้อนของจุดเชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ Ta เป็นอุณหภูมิแวดล้อม
เมื่อการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเป้าหมายคือการออกแบบไม่เพียง แต่อุณหภูมิทางแยกเพื่อป้องกันอุปกรณ์ยังช่วยให้ความน่าเชื่อถือที่จำเป็น. โค้งประสิทธิภาพแผ่นข้อมูลสามารถนำมาใช้ในการประมาณอำนาจสูงสุดของอุปกรณ์ในทำนองเดียวกันทางแยกที่จะเหมาะกับความร้อน อุปสรรคRθjaสามารถพบได้จากเส้นโค้งแผ่นข้อมูลโค้งคำนึงถึงผลเย็นของอื่น ๆ ปัจจัยเช่นระดับของ metallization และ PCB อากาศและไม่ชอบ
ในการให้พลังงานที่จำเป็นในการโหลดถ้าไม่ถึงอุณหภูมิทางแยกที่ยอมรับการออกแบบจะต้องมุ่งเน้นไปที่การลดRθjaเทคนิคบางคนอาจจะใช้เพื่อให้บรรลุวิธีนี้เหล่านี้รวมถึง:
เลือกแพคเกจใช้ประโยชน์จากการปรับปรุงโดยรวมของบรรจุภัณฑ์เช่นที่หนีบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อทดแทนการเชื่อมต่อแบบดั้งเดิมหรือพื้นที่โลหะที่ขยายตัวด้านล่างหรือด้านบนของชิปหรือการระบายความร้อนแบบสองด้านทั้งสองด้าน บริเวณที่เชื่อมต่อโดยตรงกับอ่างความร้อนหรือแผ่นโลหะที่สัมผัสและสามารถบัดกรีไปยังชั้นโลหะหรือ PCB ได้ที่อ่างระบายความร้อนการออกแบบบอร์ดรวมถึงความหนาของทองแดงที่เพิ่มขึ้นหรือเชื่อมต่อโดยตรงกับอ่างความร้อน (เช่นโลหะที่หนักกว่า) เพิ่มความร้อนภายใต้อ่างความร้อนหากคุณต้องการกระจายความร้อนสูงควรพิจารณาพื้นผิวโลหะที่เป็นฉนวนเทคนิคการจัดการความร้อนโดยตรงเช่นอ่างความร้อนหรืออ่างความร้อนอาจใช้กับพัดลมระบายความร้อน
คำถามคือเทคโนโลยีเหล่านี้สามารถบรรลุผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเช่นขนาดและน้ำหนักที่ยอมรับได้และมีผลกระทบน้อยที่สุดต่อต้นทุนวัสดุ (BOM) เป็นต้นแม้ว่าจะไม่มีคำตอบที่ชัดเจน แต่ก็เป็นที่ชัดเจนมาก การแก้ปัญหาด้านความร้อนที่มากเกินไปหรือไม่เพียงพออาจทำให้เกิดผลเสียที่ไม่พึงประสงค์
การออกแบบรูปแบบความร้อนที่แตกต่างกันโดยการสร้างแบบต้นแบบหลายแบบไม่เป็นไปได้ในทางตรงกันข้ามถ้าคุณพบว่าโซลูชันที่เลือกไม่เหมาะในตอนท้ายของโครงการให้ออกแบบบอร์ดใหม่เพื่อเพิ่มช่องระบายอากาศเพิ่มเติมหรือสลับไปยังอุปกรณ์อื่น ประเภทของบรรจุภัณฑ์อาจใช้ไม่ได้
โชคดีที่เราจะมีเครื่องมือที่จะช่วยให้เกิดการออกแบบนี้ซอฟต์แวร์การจำลองความร้อนจะช่วยให้วิศวกรที่ตรวจสอบพฤติกรรมความร้อนจากมุมมองของระบบและระบุพื้นที่ที่มีปัญหาก่อนที่จะก่อให้เกิดต้นแบบแรก
บางเครื่องมือการจำลองความร้อนออนไลน์ยังสามารถให้ฟรีของ TI WebTHERM ™เป็นตัวอย่างหนึ่งก็สามารถสร้างขึ้นโดยใช้การวิเคราะห์ความร้อนของสภาพแวดล้อมWEBENCH®ออกแบบแหล่งจ่ายไฟออนไลน์โดยใช้ตัวควบคุมที่เลือกหรือ DC / DC converter IC แล้ว นอกเหนือจากความต้องการของแหล่งจ่ายไฟและแรงดันไฟฟ้าขาออกแล้วแหล่งจ่ายไฟสามารถออกแบบมาเป็นโครงการ WEBENCH ได้
หลังจากการออกแบบขั้นพื้นฐานเสร็จสิ้นแล้ว WEBENCH สามารถประมาณค่าวัสดุและคำนวณค่าพารามิเตอร์ต่างๆเช่นการสูญเสียพลังงานและRθjaซึ่งสามารถใช้คำนวณ Tjmax ด้วยข้อมูลอุณหภูมิที่รู้จักได้ด้วยตนเองโดยใช้การจำลองแบบ WebTHERM ผู้ใช้สามารถดูประสิทธิภาพการระบายความร้อนแบบกราฟิกและ นอกจากนี้ยังสามารถแสดงผลเสริมบางอย่างเช่นผลกระทบด้านความร้อนทั่วไปของส่วนประกอบที่อาจมองเห็นได้ยากผลของการจำลองคือเส้นโค้งอุณหภูมิสีที่ช่วยในการกำหนดพื้นที่ที่สนใจได้อย่างรวดเร็ว
เมื่อรันการจำลองผู้ใช้จำเป็นต้องป้อนกระแสโหลดด้านบนและด้านล่างอุณหภูมิห้องและอุณหภูมิกรณีอุปกรณ์และการตั้งค่าพารามิเตอร์อื่น ๆ การจำลองความร้อนจะเสร็จสิ้นภายในไม่กี่นาทีและสามารถวิเคราะห์ผลกราฟได้โดยใช้เส้นโค้งอุณหภูมิสี การออกแบบสามารถเปลี่ยนแปลงได้ใน WEBENCH และสามารถปรับแต่งสมรรถนะด้านความร้อนได้โดยการเปลี่ยนขนาดของบอร์ดหรือวัสดุทองแดงบนชั้น PCB หรือโดยการเพิ่มและปรับความร้อน
การจำลองแบบด้วยความร้อนสามารถทำงานได้หลายครั้งและเปรียบเทียบกับผลการออกแบบอุณหภูมิที่ยอมรับได้หากไม่สามารถมั่นใจได้ว่า Tjmax เหมาะสมจะสามารถใช้ฟังก์ชั่นการจัดการความร้อนเพิ่มเติมเช่นอ่างความร้อนหรืออ่างความร้อนเพื่อให้สามารถเข้าถึงได้เร็วขึ้นจากระบบ ลบความร้อนเส้นโค้งอุณหภูมิสามารถช่วยโฟกัสในพื้นที่ที่ต้องให้ความสนใจ
เพิ่มอ่างความร้อน
ฮีทซิงค์เข้าใจง่ายและเชื่อถือได้ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ไม่มีโหมดปราศจากปัญหาและไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายใด ๆ ในการดำเนินงานอ่างรับความร้อนมักทำจากวัสดุเช่นอลูมิเนียมหรือทองแดงตั้งแต่ปีกโลหะที่ทำจากโลหะเรียบสำหรับทรานซิสเตอร์แต่ละตัวไปจนถึงสีหรือ ชิ้นส่วนการอัดขึ้นรูปโดยที่ครีบออกแบบมาเพื่อสกัดกั้นการไหลเวียนของอากาศหมุนเวียนเพื่อการถ่ายเทความร้อนสูงสุดเนื่องจากการไหลของอากาศร้อนเพิ่มขึ้นการหมุนเวียนเกิดขึ้นเองซึ่งจะช่วยให้การไหลเวียนของอากาศดีขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซมีเทนจากทางเข้าสู่เต้าเสียบ ไหลและตรวจสอบให้แน่ใจว่าช่องอากาศไหลเข้าต่ำกว่าระดับหม้อน้ำและช่องระบายอากาศซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้ลมร้อนล้นไปเหนืออ่างความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงอุณหภูมิของการเชื่อมต่อที่เป็นไปได้
แม้ว่าอ่างรับความร้อนจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็อาจมีขนาดใหญ่ใหญ่และเสียค่าใช้จ่ายหากต้องการระบายความร้อนขนาดใหญ่ตำแหน่งของอ่างระบายความร้อนที่สามารถทำให้อากาศไหลเวียนได้ดีที่สุดอาจส่งผลต่อรูปแบบบอร์ดและอ่างความร้อนอาจเป็นฝุ่นหรือสกปรก การปิดกั้นจึงส่งผลต่อการระบายความร้อนการใช้ที่หนีบหรือสกรูหรือชั้นของวัสดุเชื่อมต่อความร้อน (TIM) เพื่อเชื่อมต่ออ่างความร้อนกับชุดประกอบจะทำให้เวลาในการประกอบเพิ่มขึ้น
ผู้ผลิตเช่น Aavid Thermalloy หรือ Wakefield-Vette มีอ่างรับความร้อนหลากหลายชนิดรวมถึงอ่างความร้อนที่เหมาะสมเพื่อให้เหมาะกับชิ้นส่วนเฉพาะเช่นตัวประมวลผลหรือ FPGA ในทางกลับกันอ่างรับความร้อนสามารถเลือกได้ตามการคำนวณเนื่องจาก อ่างลดความร้อนเหล่านี้ลดความต้านทานความร้อนโดยรวมRθjaของอากาศจากจุดเชื่อมต่อเข้ากับอ่างความร้อนซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อที่ต่ำกว่าเมื่อเกิดการกระจายพลังงานเฉพาะ
รูปที่ 1 แสดงทรานซิสเตอร์กำลังไฟในชุดที่เพิ่มความร้อนที่ออกแบบมาสำหรับฮีทซิงค์บนแผ่นที่มีการแผ่รังสีความร้อนสองด้านที่มีประสิทธิภาพระบบจะแสดงระหว่างจุดเชื่อมต่อกับด้านบนและด้านล่างของ PCB ความต้านทานความร้อน Rth เครือข่ายความต้านทานความร้อนของอ่างความร้อน Rth บ่งชี้ถึงประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวอ่างความร้อนไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ
ขยายขอบเขตการออกแบบด้วยท่อความร้อน
ในบางรูปแบบเนื่องจากขนาดโดยรวมเค้าโครงของบอร์ดหรือข้อ จำกัด ของการไหลเวียนอากาศอาจไม่เหมาะสมที่จะเชื่อมต่อขนาดที่ต้องการของอ่างความร้อนโดยตรงกับตัวแปลง IC หรือทรานซิสเตอร์กำลังไฟฮีทซิงค์ที่แสดงในรูปที่ 2 สามารถให้ ทางเลือกในทางปฏิบัติที่ช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังตำแหน่งอื่นที่สามารถวางอ่างความร้อนที่เหมาะสมเพื่อให้อากาศไหลเวียนได้ดียิ่งขึ้นสำหรับการกระจายความร้อน Wakefield-Vette model 120231 สามารถทนต่อ 25W โหลดความร้อน แต่ขนาดของมันมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเพียง 6 มม. × 100 มม.
ท่อความร้อนเองไม่ใช่หม้อน้ำ แต่เป็นท่อปิดผนึกที่ถ่ายเทความร้อนจากปลายร้อนไปสู่ปลายเย็นโดยใช้หลักการเปลี่ยนเฟสเมื่อสิ้นร้อนความร้อนจะถูกดูดซึมและของไหลทำงานในท่อจะถูกระเหยหลังจากที่ไอน้ำไหลไปสู่ปลายเย็นและควบแน่นเข้า ของเหลวร้อนปล่อยในของเหลวกระบวนการนี้แล้วก็กลับไปที่ปลายร้อนของท่อและกระบวนการที่จะถูกทำซ้ำ. หนึ่งในข้อดีของท่อความร้อนที่ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อรักษากลไกการเปลี่ยนเฟสและออกแบบได้อย่างอิสระสามารถแผ่ท่อ ปลายเย็นที่เลือกอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุด
อากาศเย็นบังคับ
หากการจัดการทางเดินแบบพาสซีฟโดยใช้อ่างระบายความร้อนหรืออ่างความร้อนไม่ถึงจุดเชื่อมต่อที่ต้องการให้พิจารณาการใช้พัดลมที่มีคุณภาพสูงจากผู้ผลิตเช่น Delta Electronics เพื่อเพิ่มความเย็นด้วยการเพิ่มขนาดโดยเลือกขนาดพัดลมและปรับความเร็วของพัดลม ลดการไหลของอากาศ (ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที (CFM)) เพื่อเพิ่มความเย็นที่ดีที่สุดและยืดหยุ่น
ข้อสรุป
การจัดการความร้อนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟ PCB หรือตัวแปลง DC / DC ผู้ออกแบบมีเครื่องมือจำนวนมากที่สามารถใช้งานได้ แต่ต้องหลีกเลี่ยงการออกแบบที่เกินเพื่อป้องกันไม่ให้มีปริมาณมากเกินไป ค่าใช้จ่าย BOM สูงหรือความท้าทายในการประกอบชิ้นส่วนที่ซับซ้อนเครื่องมือจำลองความร้อนที่ถูกต้องมีให้บริการฟรีและเครื่องมือเหล่านี้จะให้คำแนะนำในการจัดการความร้อนก่อนที่จะเริ่มสร้างฮาร์ดแวร์เช่นชุดระบายความร้อนที่ออกแบบเองระบายความร้อนหรือระบายความร้อน เทคโนโลยีอื่น ๆ เช่นแฟน ๆ สามารถช่วยแก้ปัญหาข้อ จำกัด ของระบบเช่นรูปแบบบอร์ดหรือการไหลเวียนของอากาศ