बिजली आपूर्ति शीतलन के लिए सर्किट प्रदर्शन और लागत का अनुकूलन कैसे करें

जब उत्पाद प्रणाली की गर्मी बढ़ जाती है, तो सिस्टम की बिजली की खपत में तेजी से वृद्धि होगी, इसलिए बिजली व्यवस्था को डिजाइन करते समय, उच्च धारा वाले समाधान का चयन किया जाएगा, जो अनिवार्य रूप से लागत में वृद्धि का कारण बनेगा। एक निश्चित बिंदु पर, लागत तेजी से बढ़ जाती है। मुझे आपके साथ बिजली आपूर्ति शीतलन डिजाइन और सिमुलेशन पर एक लेख साझा करने दें।

थर्मल सिमुलेशन बिजली उत्पादों के विकास और उत्पाद सामग्री के लिए दिशानिर्देश प्रदान करने का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। मॉड्यूल फॉर्म फैक्टर का अनुकूलन टर्मिनल उपकरण डिजाइन में एक विकास प्रवृत्ति है, जो धातु के हीट सिंक से पीसीबी कॉपर लेयर थर्मल प्रबंधन में स्विच करने की समस्या को सामने लाता है। आज के कुछ मॉड्यूल स्विच-मोड बिजली आपूर्ति और बड़े निष्क्रिय घटकों के लिए कम स्विचिंग आवृत्तियों का उपयोग करते हैं। रैखिक नियामक वोल्टेज अनुवाद और आंतरिक सर्किट को चलाने वाली मौन धाराओं के लिए कम कुशल हैं।

जैसे-जैसे डिवाइस डिज़ाइन अधिक सुविधा-संपन्न, प्रदर्शन-बढ़ाने वाले होते जाते हैं, और डिवाइस डिज़ाइन अधिक कॉम्पैक्ट होते जाते हैं, आईसी-स्तर और सिस्टम-स्तर पर थर्मल सिमुलेशन महत्वपूर्ण हो जाता है।

कुछ अनुप्रयोग 70 से 125 डिग्री के परिवेश तापमान पर काम करते हैं, और कुछ डाई-साइज़ ऑटोमोटिव अनुप्रयोग 140 डिग्री के उच्च तापमान तक पहुँच सकते हैं, जहाँ निर्बाध प्रणाली संचालन महत्वपूर्ण है। इलेक्ट्रॉनिक डिजाइनों का अनुकूलन करते समय दोनों प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए सटीक क्षणिक और स्थिर सबसे खराब स्थिति वाला थर्मल विश्लेषण तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है।

ऊष्मीय प्रबंधन

थर्मल प्रबंधन की चुनौती उच्च तापीय प्रदर्शन, उच्च ऑपरेटिंग परिवेश तापमान और कॉपर थर्मल परतों के लिए कम बजट प्राप्त करते हुए पैकेज आकार को कम करना है। उच्च पैकेजिंग दक्षता के परिणामस्वरूप गर्मी पैदा करने वाले घटकों की उच्च सांद्रता होगी, जिसके परिणामस्वरूप आईसी और पैकेज स्तरों पर अत्यधिक उच्च ताप प्रवाह होगा।

सिस्टम में विचार करने के लिए कारकों में कुछ अन्य मुद्रित सर्किट बोर्ड पावर डिवाइस शामिल हैं जो विश्लेषण डिवाइस तापमान, सिस्टम स्पेस और एयरफ्लो डिज़ाइन/सीमाओं को प्रभावित कर सकते हैं। थर्मल प्रबंधन में विचार करने के लिए तीन कारक हैं: पैकेज, बोर्ड और सिस्टम

पैकेज चुनते समय विचार करने के लिए कम लागत, छोटे फॉर्म फैक्टर, मॉड्यूल इंटीग्रेशन और पैकेज विश्वसनीयता कुछ पहलू हैं। जैसे ही लागत एक महत्वपूर्ण विचार बन जाती है, लीडफ्रेम-आधारित थर्मली वर्धित पैकेज लोकप्रियता प्राप्त कर रहे हैं। इस पैकेज में एम्बेडेड हीट सिंक या एक्सपोज़्ड पैड और हीट स्प्रेडर प्रकार के पैकेज शामिल हैं जो थर्मल प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। कुछ सरफेस माउंट पैकेज में, विशेष लीड फ्रेम में हीट स्प्रेडर के रूप में कार्य करने के लिए पैकेज के प्रत्येक तरफ कई लीड जुड़े होते हैं। यह दृष्टिकोण डाई पैड से गर्मी हस्तांतरण के लिए बेहतर गर्मी अपव्यय पथ प्रदान करता है।

आईसी और पैकेज थर्मल सिमुलेशन

थर्मल विश्लेषण के लिए विस्तृत और सटीक सिलिकॉन डाई उत्पाद मॉडल और संलग्नक थर्मल गुणों की आवश्यकता होती है। सेमीकंडक्टर आपूर्तिकर्ता सिलिकॉन आईसी थर्मल यांत्रिक गुण और पैकेजिंग प्रदान करते हैं, जबकि उपकरण निर्माता मॉड्यूल सामग्री के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं। उत्पाद उपयोगकर्ता उपयोग परिवेश की जानकारी प्रदान करते हैं।

यह विश्लेषण आईसी डिजाइनरों को ऑपरेशन के क्षणिक और शांत मोड में सबसे खराब स्थिति में बिजली अपव्यय के लिए पावर एफईटी आयामों को अनुकूलित करने में मदद करता है। कई पावर इलेक्ट्रॉनिक्स आईसी में, पावर एफईटी मरने वाले क्षेत्र के एक महत्वपूर्ण हिस्से पर कब्जा कर लेते हैं। थर्मल विश्लेषण से डिजाइनरों को अपने डिजाइनों को अनुकूलित करने में मदद मिलती है।

चुना गया पैकेज आमतौर पर सिलिकॉन डाई से हीट सिंक तक कम थर्मल प्रतिबाधा पथ प्रदान करने के लिए कुछ धातु को उजागर करता है। मॉडल द्वारा आवश्यक प्रमुख पैरामीटर इस प्रकार हैं:

सिलिकॉन डाई आकार पहलू अनुपात और डाई मोटाई।

बिजली उपकरण क्षेत्र और स्थान, और कोई सहायक चालक सर्किट जो गर्मी उत्पन्न करता है।

पावर संरचना मोटाई (सिलिकॉन चिप के भीतर फैलाव)।

डाई कनेक्शन क्षेत्र और मोटाई जहां सिलिकॉन डाई उजागर धातु पैड या धातु के धक्कों से जुड़ी होती है। इसमें डाई अटैच मटीरियल एयर गैप प्रतिशत शामिल हो सकता है।

उजागर धातु पैड या धातु टक्कर कनेक्शन का क्षेत्र और मोटाई।

मोल्डिंग सामग्री और कनेक्शन लीड का उपयोग करके पैकेज का आकार।

मॉडल में प्रयुक्त प्रत्येक सामग्री के लिए तापीय चालकता गुण आवश्यक हैं। इस डेटा इनपुट में सभी ताप हस्तांतरण गुणों में तापमान-निर्भर परिवर्तन भी शामिल हैं जिनमें निम्न शामिल हैं:

सिलिकॉन चिप थर्मल चालकता

डाई अटैच, मोल्डिंग सामग्री की तापीय चालकता

धातु पैड या धातु टक्कर के कनेक्शन पर तापीय चालकता।

पैकेज प्रकार (पैकेज उत्पाद) और पीसीबी इंटरैक्शन

थर्मल सिमुलेशन के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर पैड से गर्मी सिंक सामग्री तक थर्मल प्रतिरोध निर्धारित करना है, जिसे निम्न तरीकों से निर्धारित किया जा सकता है:

बहुपरत FR4 बोर्ड (चार और छह परत वाले बोर्ड आम हैं)

सिंगल-एंडेड सर्किट बोर्ड

ऊपर और नीचे के बोर्ड

थर्मल और थर्मल प्रतिरोध पथ कार्यान्वयन से भिन्न होते हैं:

बम्प कनेक्शन पर आंतरिक हीटसिंक पैनल या थर्मल वायस पर थर्मल पैड से कनेक्ट करें। पीसीबी की शीर्ष परत पर उजागर थर्मल पैड या बम्प कनेक्शन को जोड़ने के लिए सोल्डर का उपयोग करें।

एक्सपोज्ड थर्मल पैड या बम्प कनेक्शन के नीचे पीसीबी में एक ओपनिंग जिसे मॉड्यूल के मेटल एनक्लोजर से जुड़े हुए उभड़ा हुआ हीट सिंक के बेस से जोड़ा जा सकता है।

धातु के मामले के पीसीबी के ऊपर या नीचे तांबे की परत पर हीट सिंक को हीट सिंक से जोड़ने के लिए मेटल स्क्रू का उपयोग करें। उजागर थर्मल पैड या टक्कर कनेक्शन को पीसीबी की शीर्ष परत से जोड़ने के लिए सोल्डर का उपयोग करें।

इसके अलावा, पीसीबी की प्रत्येक परत पर इस्तेमाल की जाने वाली कॉपर प्लेटिंग का वजन या मोटाई महत्वपूर्ण है। थर्मल प्रतिरोध विश्लेषण के लिए, उजागर पैड या बम्प कनेक्शन से जुड़ी परतें इस पैरामीटर से सीधे प्रभावित होती हैं। सामान्यतया, यह एक बहुपरत मुद्रित सर्किट बोर्ड में शीर्ष, हीट सिंक और निचली परतें हैं।

अधिकांश अनुप्रयोगों में, यह दो औंस तांबा (2 औंस तांबा=2.8 मील या 71 माइक्रोन) बाहरी परत और 1 औंस तांबा (1 औंस तांबा=1.4 मील या 35 माइक्रोन) हो सकता है। आंतरिक परत, या सभी दोनों 1 औंस तांबे की परतें हैं। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों में, कुछ {{10}}.5 औंस कॉपर (0.5 औंस कॉपर=0.7 मील या 18 माइक्रोन) परतों का भी उपयोग करते हैं।

मॉडल डेटा

डाई तापमान का अनुकरण करने के लिए एक आईसी फ्लोर प्लान की आवश्यकता होती है जिसमें डाई पर सभी पावर एफईटी और उनके वास्तविक स्थान शामिल होते हैं ताकि पैकेज सोल्डरिंग दिशानिर्देशों का पालन किया जा सके।

थर्मल वितरण के लिए प्रत्येक एफईटी का आकार और पहलू अनुपात महत्वपूर्ण है। विचार करने के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण कारक यह है कि क्या एफईटी एक साथ या क्रमिक रूप से संचालित होते हैं। मॉडल सटीकता उपयोग किए गए भौतिक डेटा और भौतिक गुणों पर निर्भर करती है।

मॉडल के स्थिर या औसत शक्ति विश्लेषण के लिए कम संगणना समय की आवश्यकता होती है और उच्चतम तापमान रिकॉर्ड होने के बाद अभिसरण होता है।

क्षणिक विश्लेषण के लिए शक्ति बनाम समय डेटा की आवश्यकता होती है। हमने तेज बिजली स्पंदनों के दौरान चरम तापमान वृद्धि को सटीक रूप से पकड़ने के लिए स्विचिंग बिजली आपूर्ति मामले की तुलना में बेहतर रिज़ॉल्यूशन चरण का उपयोग करके डेटा रिकॉर्ड किया। यह विश्लेषण आमतौर पर समय लेने वाला होता है और इसके लिए स्थिर शक्ति सिमुलेशन की तुलना में अधिक डेटा इनपुट की आवश्यकता होती है।

यह मॉडल डाई अटैच एरिया में एपॉक्सी वॉयड्स या पीसीबी हीटसिंक में प्लेटिंग वॉयड्स का अनुकरण करता है। दोनों ही मामलों में, एपॉक्सी/प्लेटिंग वॉयड्स पैकेज के थर्मल प्रतिरोध को प्रभावित कर सकते हैं

थर्मल सिमुलेशन बिजली उत्पादों के विकास का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। इसके अलावा, यह सिलिकॉन चिप के FET जंक्शन से उत्पाद में विभिन्न सामग्रियों के कार्यान्वयन के लिए थर्मल प्रतिरोध मापदंडों की सेटिंग के माध्यम से आपका मार्गदर्शन करता है। एक बार विभिन्न थर्मल प्रतिरोध पथों को समझने के बाद, सभी अनुप्रयोगों के लिए कई प्रणालियों को अनुकूलित किया जा सकता है।