Raffreddamento dell'alimentatore per ottimizzare le prestazioni e il costo dell'alimentazione

Quando il calore del sistema del prodotto aumenta, il consumo di energia del sistema aumenterà in modo esponenziale. In questo modo, in fase di progettazione del sistema di alimentazione, si sceglierà una soluzione con una corrente maggiore, e ciò comporterà inevitabilmente un aumento dei costi. In una certa misura, il costo aumenterà in modo esponenziale.

La simulazione termica è una parte importante dello sviluppo di prodotti energetici e della fornitura di linee guida sui materiali dei prodotti. L'ottimizzazione delle dimensioni del modulo è la tendenza allo sviluppo della progettazione delle apparecchiature terminali, che determina la conversione della gestione della dissipazione del calore dal dissipatore di calore in metallo allo strato di rame del PCB. Alcuni moduli oggi utilizzano frequenze di commutazione inferiori per alimentatori a commutazione e componenti passivi di grandi dimensioni. Per la conversione di tensione e la corrente di riposo che pilotano il circuito interno, l'efficienza del regolatore lineare è relativamente bassa.

Man mano che le funzioni diventano più abbondanti, le prestazioni diventano sempre più elevate e il design del dispositivo diventa sempre più compatto. In questo momento, la simulazione della dissipazione del calore a livello di IC e di sistema diventa molto importante.

La temperatura dell'ambiente di lavoro di alcune applicazioni è compresa tra 70 e 125 °C e la temperatura di alcune applicazioni automobilistiche di dimensioni matrici raggiunge addirittura i 140 °C. Per queste applicazioni, il funzionamento ininterrotto del sistema è molto importante. Quando si ottimizzano i progetti elettronici, l'analisi termica accurata in scenari peggiori transitori e statici per i due tipi di applicazioni di cui sopra sta diventando sempre più importante.

1. Gestione termica

La difficoltà della gestione della dissipazione del calore consiste nel ridurre le dimensioni del pacchetto ottenendo prestazioni di dissipazione del calore più elevate, una temperatura dell'ambiente di lavoro più elevata e un budget inferiore per lo strato di dissipazione del calore in rame. L'elevata efficienza dell'imballaggio si tradurrà in una maggiore concentrazione di componenti che generano calore, con conseguenti flussi di calore estremamente elevati a livello di IC ea livello di imballaggio.

I fattori che devono essere considerati nel sistema includono altri dispositivi di alimentazione della scheda a circuito stampato che possono influenzare la temperatura del dispositivo di analisi, lo spazio del sistema e la progettazione/restrizioni del flusso d'aria. I tre livelli di gestione termica da considerare sono: package, circuit board e system

Tipico percorso di trasferimento di calore nel pacchetto IC

Basso costo, fattore di forma ridotto, integrazione del modulo e affidabilità del pacchetto sono diversi aspetti che devono essere considerati quando si sceglie un pacchetto. Poiché il costo diventa una considerazione chiave, i pacchetti di miglioramento della dissipazione del calore basati su telai guida stanno diventando sempre più popolari.

Questo tipo di pacchetto include un dissipatore di calore incorporato o un pad esposto e un pacchetto di tipo chip di immersione, progettato per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore. In alcuni pacchetti a montaggio superficiale, alcuni telai per cavi dedicati saldano diversi cavi su ciascun lato del pacchetto per fungere da diffusore di calore. Questo metodo fornisce un migliore percorso di dissipazione del calore per il trasferimento di calore della matrice.

2. IC e simulazione della dissipazione del calore del pacchetto

L'analisi termica richiede modelli di prodotti in chip di silicio dettagliati e accurati e proprietà termiche dell'alloggiamento. I fornitori di semiconduttori forniscono proprietà meccaniche e imballaggi per la dissipazione del calore 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 la dimensione del FET di potenza per il consumo energetico nel caso peggiore in modalità operative transitorie e statiche. In molti circuiti integrati elettronici di potenza, il FET di potenza occupa una parte considerevole dell'area dello stampo. L'analisi termica aiuta i progettisti a ottimizzare i loro progetti.

Il pacchetto selezionato espone generalmente parte del metallo per fornire un percorso di impedenza di dissipazione del calore basso dal chip di silicio al dissipatore di calore. I parametri chiave richiesti dal modello sono i seguenti:

• Rapporto di aspetto delle dimensioni del chip di silicio e spessore del chip.
  

  
  

• L'area e la posizione del dispositivo di alimentazione e di eventuali circuiti di azionamento ausiliari che generano calore.

  
  

• Lo spessore della struttura dell'alimentatore (la dispersione nel chip di silicio).

  
  

• L'area e lo spessore della connessione del die in cui il chip di silicio è collegato alle piazzole metalliche esposte o alle protuberanze metalliche. Può includere la percentuale del traferro del materiale di connessione della matrice.

  
  

• L'area e lo spessore della giunzione di cuscinetti metallici esposti o protuberanze metalliche.

  
  

• Utilizzare il materiale dello stampo e la dimensione della confezione del cavo di collegamento.

Devono essere fornite le proprietà di conducibilità termica di ciascun materiale utilizzato nel modello. Questo input di dati include anche i cambiamenti dipendenti dalla temperatura in tutte le proprietà di conduzione del calore, che includono in particolare:

• Conducibilità termica del chip di silicio
  

  
  

• Connessione stampo, conduttività termica del materiale dello stampo

  
  

• Conducibilità termica alla giunzione di pastiglie metalliche o dossi metallici.

  
  

• Interazione tra prodotto del pacchetto e PCB

Uno dei parametri più importanti della simulazione della dissipazione del calore è determinare la resistenza termica dal pad al materiale del dissipatore di calore. I metodi per determinare la resistenza termica sono i seguenti:

• Circuito multistrato FR4 (comunemente usato sono circuiti a quattro e sei strati)
  

  
  

• Circuito single-ended

  
  

• Circuiti superiore e inferiore

  
  

I percorsi di dissipazione del calore e di resistenza termica variano a seconda delle diverse modalità realizzative:

Collegare al pad di dissipazione del calore del pannello del dissipatore di calore interno o al foro di dissipazione del calore alla giunzione della sporgenza. Utilizzare la saldatura per collegare il pad termico esposto o la connessione a urto allo strato superiore del PCB.

Un'apertura sul PCB sotto il pad termico esposto o una connessione a urto, che può essere collegata alla base del dissipatore di calore estesa collegata all'involucro metallico del modulo'.

Utilizzare viti metalliche per collegare il dissipatore di calore al dissipatore di calore sullo strato di rame superiore o inferiore del PCB del guscio metallico. Utilizzare la saldatura per collegare il pad termico esposto o la connessione a urto allo strato superiore del PCB.

Inoltre, il peso o lo spessore della placcatura in rame utilizzata su ogni strato del PCB è molto critico. In termini di analisi della resistenza termica, gli strati collegati alle piazzole o agli urti esposti sono direttamente interessati da questo parametro. In generale, questi sono gli strati superiore, dissipatore di calore e inferiore in un circuito stampato multistrato.

Nella maggior parte delle applicazioni, può essere uno strato esterno di rame da due once (2 once di rame=2,8 mil o 71 µm) e uno strato interno di rame da 1 oncia (1 oncia di rame=1,4 mil o 35 µm), oppure tutti sono Strato rivestito di rame pesante da 1 oncia. Nelle applicazioni di elettronica di consumo, alcune applicazioni utilizzano anche 0,5 once di rame (0,5 once di rame=0,7 mil o 18 µm).