Come ottimizzare le prestazioni e i costi del circuito per il raffreddamento dell'alimentatore
Quando il calore del sistema di prodotto aumenta, il consumo energetico del sistema aumenterà in modo esponenziale, quindi durante la progettazione del sistema di alimentazione verrà selezionata una soluzione con una corrente più elevata, che porterà inevitabilmente ad un aumento dei costi. Ad un certo punto, il costo aumenta esponenzialmente. Consentitemi di condividere con voi un articolo sulla progettazione e la simulazione del raffreddamento dell'alimentatore.
La simulazione termica è una parte importante dello sviluppo di prodotti di potenza e fornisce linee guida per i materiali dei prodotti. L'ottimizzazione del fattore di forma del modulo è una tendenza di sviluppo nella progettazione delle apparecchiature terminali, che comporta il problema del passaggio dai dissipatori di calore in metallo alla gestione termica dello strato di rame del PCB. Alcuni dei moduli odierni utilizzano frequenze di commutazione inferiori per alimentatori a commutazione e componenti passivi di grandi dimensioni. I regolatori lineari sono meno efficienti per la traslazione della tensione e le correnti di riposo che guidano i circuiti interni.
Man mano che i progetti dei dispositivi diventano più ricchi di funzionalità, migliorano le prestazioni e i progetti dei dispositivi diventano più compatti, la simulazione termica a livello di circuito integrato e a livello di sistema diventa fondamentale.
Alcune applicazioni funzionano a temperature ambiente comprese tra 70 e 125 gradi e alcune applicazioni automobilistiche di dimensioni die possono raggiungere temperature fino a 140 gradi, dove il funzionamento ininterrotto del sistema è importante. L'accurata analisi termica transitoria e statica nel caso peggiore per entrambi i tipi di applicazioni sta diventando sempre più importante quando si ottimizzano i progetti elettronici.
Gestione termica
La sfida della gestione termica consiste nel ridurre le dimensioni del contenitore ottenendo prestazioni termiche più elevate, una temperatura ambiente operativa più elevata e un budget inferiore per gli strati termici in rame. L'elevata efficienza di confezionamento si tradurrà in un'elevata concentrazione di componenti che generano calore, con conseguenti flussi di calore estremamente elevati a livello di IC e pacchetto.
I fattori da considerare nel sistema includono alcuni altri dispositivi di alimentazione della scheda a circuiti stampati che possono influenzare la temperatura del dispositivo di analisi, lo spazio del sistema e la progettazione/limitazioni del flusso d'aria. Ci sono tre fattori da considerare nella gestione termica: pacchetto, scheda e sistema
Il basso costo, il fattore di forma ridotto, l'integrazione dei moduli e l'affidabilità del pacchetto sono alcuni aspetti da considerare nella scelta di un pacchetto. Poiché il costo diventa una considerazione chiave, i pacchetti potenziati termicamente basati su leadframe stanno guadagnando popolarità. Questo pacchetto include un dissipatore di calore integrato o un pad esposto e pacchetti di tipo dissipatore di calore progettati per migliorare le prestazioni termiche. In alcuni pacchetti a montaggio superficiale, speciali telai di conduttori hanno diversi conduttori fusi su ciascun lato del pacchetto per fungere da diffusori di calore. Questo approccio fornisce un migliore percorso di dissipazione del calore per il trasferimento di calore dalla matrice.
IC e simulazione termica del pacchetto
L'analisi termica richiede modelli dettagliati e accurati del prodotto die in silicio e proprietà termiche dell'involucro. I fornitori di semiconduttori forniscono le proprietà termomeccaniche e l'imballaggio dei circuiti integrati in silicio, mentre i produttori di apparecchiature forniscono informazioni sui materiali dei moduli. Gli utenti del prodotto forniscono informazioni sull'ambiente di utilizzo.
Questa analisi aiuta i progettisti di circuiti integrati a ottimizzare le dimensioni dei FET di potenza per la dissipazione di potenza nel caso peggiore nelle modalità operative transitorie e quiescenti. In molti circuiti integrati dell'elettronica di potenza, i FET di potenza occupano una parte significativa dell'area del die. L'analisi termica aiuta i progettisti a ottimizzare i loro progetti.
Il pacchetto scelto in genere espone parte del metallo per fornire un percorso a bassa impedenza termica dal die di silicio al dissipatore di calore. I parametri chiave richiesti dal modello sono i seguenti:
Proporzioni dimensionali e spessore del die in silicio.
Area e posizione del dispositivo di alimentazione e qualsiasi circuito ausiliario del driver che genera calore.
Spessore della struttura di potenza (dispersione all'interno del chip di silicio).
L'area di connessione del die e lo spessore in cui il die in silicio è collegato a piazzole metalliche esposte o protuberanze metalliche. Può includere la percentuale di traferro del materiale di fissaggio della matrice.
L'area e lo spessore della piazzola di metallo esposta o della connessione in rilievo di metallo.
Dimensioni della confezione utilizzando materiale di stampaggio e cavi di collegamento.
Sono richieste le proprietà di conducibilità termica per ciascun materiale utilizzato nel modello. Questo input di dati include anche i cambiamenti dipendenti dalla temperatura in tutte le proprietà di trasferimento del calore, tra cui:
Conducibilità termica del chip di silicio
Conducibilità termica dell'attacco dello stampo, materiale di stampaggio
Conducibilità termica alla connessione di cuscinetti metallici o protuberanze metalliche.
Tipo di pacchetto (packageproduct) e interazione PCB
Un parametro cruciale per la simulazione termica è determinare la resistenza termica dal pad al materiale del dissipatore di calore, che può essere determinata nei seguenti modi:
Schede FR4 multistrato (le schede a quattro e sei strati sono comuni)
circuito single-ended
Tavole superiori e inferiori
I percorsi di resistenza termica e termica variano in base all'implementazione:
Collegati ai pad termici sul pannello del dissipatore di calore interno o alle vie termiche sulle connessioni bump. Utilizzare la saldatura per collegare i pad termici esposti o le connessioni bump allo strato superiore del PCB.
Un'apertura nel PCB al di sotto del pad termico esposto o della connessione bump che può essere collegata alla base del dissipatore di calore sporgente fissato all'involucro metallico del modulo.
Utilizzare viti metalliche per fissare il dissipatore di calore al dissipatore di calore sullo strato di rame superiore o inferiore del PCB della custodia metallica. Utilizzare la saldatura per collegare il pad termico esposto o la connessione bump allo strato superiore del PCB.
Inoltre, il peso o lo spessore della placcatura in rame utilizzata su ogni strato del PCB è fondamentale. Per l'analisi della resistenza termica, gli strati collegati alle piazzole esposte o alle connessioni bump sono direttamente influenzati da questo parametro. In generale, questo è lo strato superiore, dissipatore di calore e inferiore in un circuito stampato multistrato.
Nella maggior parte delle applicazioni, questo può essere uno strato esterno di rame da due once (rame da 2 once=2.8 mil o 71 µm) e uno strato di rame da 1 oncia (rame da 1 oncia=1.4 mil o 35 µm) strato interno, o tutti Entrambi sono strati di rame da 1 oz. Nelle applicazioni di elettronica di consumo, alcuni utilizzano persino strati di {{10}},5 once di rame (0,5 once di rame=0,7 mil o 18 µm).
Dati del modello
La simulazione della temperatura del die richiede una planimetria del circuito integrato che includa tutti i FET di potenza sul die e le loro posizioni effettive per rispettare le linee guida sulla saldatura dei pacchetti.
Le dimensioni e le proporzioni di ciascun FET sono importanti per la distribuzione termica. Un altro fattore importante da considerare è se i FET vengono accesi simultaneamente o in sequenza. La precisione del modello dipende dai dati fisici e dalle proprietà del materiale utilizzato.
L'analisi della potenza statica o media del modello richiede un breve tempo di calcolo e la convergenza si verifica una volta registrata la temperatura più alta.
L'analisi transitoria richiede dati di potenza rispetto al tempo. Abbiamo registrato i dati utilizzando un passo di risoluzione migliore rispetto al caso dell'alimentatore a commutazione per catturare con precisione l'aumento della temperatura di picco durante gli impulsi di potenza veloci. Questa analisi richiede in genere molto tempo e richiede più input di dati rispetto alle simulazioni di potenza statica.
Questo modello simula i vuoti epossidici nell'area di attacco del die o i vuoti di placcatura in un dissipatore di calore PCB. In entrambi i casi, i vuoti di resina epossidica/placcatura possono influire sulla resistenza termica della confezione
La simulazione termica è una parte importante dello sviluppo di prodotti energetici. Inoltre, ti guida attraverso l'impostazione dei parametri di resistenza termica, dalla giunzione FET del chip di silicio all'implementazione di vari materiali nel prodotto. Una volta compresi i diversi percorsi di resistenza termica, molti sistemi possono essere ottimizzati per tutte le applicazioni.
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