Pendinginan catu daya untuk mengoptimalkan kinerja dan biaya daya

Ketika panas sistem produk meningkat, konsumsi daya sistem akan meningkat secara eksponensial. Dengan cara ini, ketika merancang sistem catu daya, solusi dengan arus yang lebih besar akan dipilih, dan ini pasti akan menyebabkan peningkatan biaya. Sampai batas tertentu, biaya akan meningkat secara eksponensial.

Simulasi termal adalah bagian penting dalam mengembangkan produk daya dan menyediakan panduan material produk. Mengoptimalkan ukuran modul adalah tren pengembangan desain peralatan terminal, yang menghasilkan konversi manajemen pembuangan panas dari heat sink logam ke lapisan tembaga PCB. Beberapa modul saat ini menggunakan frekuensi switching yang lebih rendah untuk catu daya mode sakelar dan komponen pasif yang besar. Untuk konversi tegangan dan arus diam yang menggerakkan sirkuit internal, efisiensi regulator linier relatif rendah.

Saat fungsi menjadi lebih berlimpah, kinerja menjadi lebih tinggi dan lebih tinggi, dan desain perangkat menjadi semakin kompak. Pada saat ini, simulasi disipasi panas level IC dan level sistem menjadi sangat penting.

Suhu lingkungan kerja beberapa aplikasi adalah 70 hingga 125°C, dan suhu beberapa aplikasi otomotif ukuran mati bahkan mencapai 140 °C. Untuk aplikasi ini, operasi sistem yang tidak terputus sangat penting. Saat mengoptimalkan desain elektronik, analisis termal yang akurat di bawah skenario terburuk sementara dan statis untuk dua jenis aplikasi di atas menjadi semakin penting.

1. Manajemen Termal

Kesulitan manajemen pembuangan panas adalah untuk mengurangi ukuran paket sambil mencapai kinerja pembuangan panas yang lebih tinggi, suhu lingkungan kerja yang lebih tinggi dan anggaran lapisan pembuangan panas tembaga yang lebih rendah. Efisiensi pengemasan yang tinggi akan menghasilkan konsentrasi komponen penghasil panas yang lebih tinggi, menghasilkan fluks panas yang sangat tinggi pada level IC dan level paket.

Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam sistem termasuk perangkat daya papan sirkuit tercetak lainnya yang dapat mempengaruhi suhu perangkat analisis, ruang sistem, dan desain/pembatasan aliran udara. Tiga tingkat manajemen termal yang harus dipertimbangkan adalah: paket, papan sirkuit, dan sistem

Jalur perpindahan panas khas dalam paket IC

Biaya rendah, faktor bentuk kecil, integrasi modul, dan keandalan paket adalah beberapa aspek yang perlu dipertimbangkan ketika memilih paket. Karena biaya menjadi pertimbangan utama, paket peningkatan pembuangan panas berdasarkan kerangka timah menjadi semakin populer.

Paket jenis ini termasuk unit pendingin tertanam atau bantalan terbuka dan paket tipe chip perendaman, yang dirancang untuk meningkatkan kinerja pembuangan panas. Dalam beberapa paket pemasangan permukaan, beberapa rangka timah khusus mengelas beberapa kabel di setiap sisi paket untuk berfungsi sebagai penyebar panas. Metode ini memberikan jalur pembuangan panas yang lebih baik untuk perpindahan panas dari bantalan mati.

2. IC dan simulasi disipasi panas paket

Analisis termal memerlukan model produk chip silikon yang terperinci dan akurat serta sifat termal housing. Pemasok semikonduktor menyediakan sifat mekanik dan kemasan disipasi panas IC chip silikon, sementara produsen peralatan memberikan informasi tentang bahan modul. Pengguna produk memberikan informasi tentang lingkungan penggunaan.

Analisis ini membantu perancang IC mengoptimalkan ukuran FET daya untuk konsumsi daya terburuk dalam mode operasi sementara dan statis. Di banyak IC elektronika daya, FET daya menempati sebagian besar area die. Analisis termal membantu desainer mengoptimalkan desain mereka.

Paket yang dipilih umumnya memaparkan bagian dari logam untuk memberikan jalur impedansi pembuangan panas yang rendah dari chip silikon ke unit pendingin. Parameter kunci yang dibutuhkan oleh model adalah sebagai berikut:

• Rasio aspek ukuran chip silikon dan ketebalan chip.
  

  
  

• Area dan lokasi perangkat daya, dan sirkuit penggerak tambahan yang menghasilkan panas.

  
  

• Ketebalan struktur catu daya (dispersi dalam chip silikon).

  
  

• Area dan ketebalan sambungan die tempat chip silikon terhubung ke bantalan logam atau tonjolan logam yang terbuka. Mungkin termasuk persentase celah udara dari bahan sambungan mati.

  
  

• Area dan ketebalan sambungan bantalan logam atau tonjolan logam yang terbuka.

  
  

• Gunakan bahan cetakan dan ukuran paket dari kabel sambungan.

Sifat konduktivitas termal dari setiap bahan yang digunakan dalam model harus disediakan. Input data ini juga mencakup perubahan yang bergantung pada suhu di semua sifat konduksi panas, yang secara khusus meliputi:

• Konduktivitas termal chip silikon
  

  
  

• Sambungan mati, konduktivitas termal bahan cetakan

  
  

• Konduktivitas termal di persimpangan bantalan logam atau gundukan logam.

  
  

• Interaksi antara produk paket dan PCB

Salah satu parameter terpenting dari simulasi pembuangan panas adalah menentukan resistansi termal dari pad ke material heat sink. Metode untuk menentukan resistansi termal adalah sebagai berikut:

• Papan sirkuit FR4 multi-layer (umumnya digunakan adalah papan sirkuit empat lapis dan enam lapis)
  

  
  

• Papan sirkuit ujung tunggal

  
  

• Papan sirkuit atas dan bawah

  
  

Disipasi panas dan jalur ketahanan termal bervariasi sesuai dengan metode implementasi yang berbeda:

Hubungkan ke bantalan pembuangan panas dari panel pendingin internal atau lubang pembuangan panas di persimpangan tonjolan. Gunakan solder untuk menghubungkan bantalan termal yang terbuka atau koneksi bump ke lapisan atas PCB.

Bukaan pada PCB di bawah bantalan termal terbuka atau sambungan bump, yang dapat dihubungkan ke dasar heat sink tambahan yang terhubung ke casing logam modul's.

Gunakan sekrup logam untuk menghubungkan unit pendingin ke unit pendingin di lapisan tembaga atas atau bawah dari cangkang logam PCB. Gunakan solder untuk menghubungkan bantalan termal yang terbuka atau koneksi bump ke lapisan atas PCB.

Selain itu, berat atau ketebalan pelapisan tembaga yang digunakan pada setiap lapisan PCB sangat penting. Dalam hal analisis ketahanan termal, lapisan yang terhubung ke bantalan atau tonjolan yang terbuka secara langsung dipengaruhi oleh parameter ini. Secara umum, ini adalah lapisan atas, pendingin, dan bawah dalam papan sirkuit cetak multilayer.

Dalam sebagian besar aplikasi, ini bisa berupa lapisan luar dua ons tembaga (2 ons tembaga=2,8 mil atau 71 m), dan lapisan dalam 1 ons tembaga (1 ons tembaga=1,4 mil atau 35 m), atau semuanya 1 ons lapisan berlapis tembaga berat. Dalam aplikasi elektronik konsumen, beberapa aplikasi bahkan menggunakan lapisan tembaga 0,5 ons (0,5 ons tembaga=0,7 mils atau 18 m).