전원 공급 장치 냉각을 위한 회로 성능 및 비용을 최적화하는 방법
제품 시스템의 열이 증가하면 시스템의 전력 소모가 기하급수적으로 증가하므로 전력 시스템을 설계할 때 더 높은 전류의 솔루션을 선택하게 되며 이는 필연적으로 비용 증가로 이어집니다. 특정 지점에서 비용은 기하급수적으로 증가합니다. 전원 공급 장치 냉각 설계 및 시뮬레이션에 대한 기사를 공유하겠습니다.
열 시뮬레이션은 전력 제품을 개발하고 제품 재료에 대한 지침을 제공하는 데 중요한 부분입니다. 모듈 폼 팩터를 최적화하는 것은 금속 방열판에서 PCB 구리 레이어 열 관리로 전환하는 문제를 야기하는 터미널 장비 설계의 개발 추세입니다. 오늘날의 일부 모듈은 스위치 모드 전원 공급 장치 및 대형 수동 부품에 더 낮은 스위칭 주파수를 사용합니다. 선형 조정기는 내부 회로를 구동하는 전압 변환 및 정지 전류에 대해 덜 효율적입니다.
장치 설계가 더욱 기능이 풍부해지고 성능이 향상되고 장치 설계가 더욱 소형화됨에 따라 IC 수준 및 시스템 수준에서의 열 시뮬레이션이 중요해졌습니다.
일부 애플리케이션은 70~125도의 주변 온도에서 작동하고 일부 다이 크기 자동차 애플리케이션은 중단 없는 시스템 작동이 중요한 140도의 높은 온도에 도달할 수 있습니다. 전자 설계를 최적화할 때 두 가지 유형의 응용 분야에 대한 정확한 과도 상태 및 정적 최악의 경우 열 분석이 점점 더 중요해지고 있습니다.
열 관리
열 관리의 과제는 패키지 크기를 줄이면서 더 높은 열 성능, 더 높은 작동 주변 온도 및 구리 열 레이어에 대한 예산을 줄이는 것입니다. 패키징 효율이 높으면 발열 부품이 집중되어 IC 및 패키지 수준에서 매우 높은 열유속이 발생합니다.
시스템에서 고려해야 할 요소에는 분석 장치 온도, 시스템 공간 및 공기 흐름 설계/제한에 영향을 줄 수 있는 일부 다른 인쇄 회로 기판 전력 장치가 포함됩니다. 열 관리에서 고려해야 할 세 가지 요소는 패키지, 보드 및 시스템입니다.
저비용, 소형 폼 팩터, 모듈 통합 및 패키지 신뢰성은 패키지를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 측면입니다. 비용이 핵심 고려 사항이 되면서 리드프레임 기반 열 강화 패키지가 인기를 얻고 있습니다. 이 패키지에는 내장형 방열판 또는 노출 패드와 열 성능을 개선하도록 설계된 방열판 유형 패키지가 포함되어 있습니다. 일부 표면 실장 패키지에서 특수 리드 프레임에는 패키지의 각 측면에 융합된 여러 개의 리드가 있어 방열판 역할을 합니다. 이 접근 방식은 다이 패드에서 열 전달을 위한 더 나은 열 발산 경로를 제공합니다.
IC 및 패키지 열 시뮬레이션
열 분석에는 상세하고 정확한 실리콘 다이 제품 모델과 엔클로저 열 속성이 필요합니다. 반도체 공급업체는 실리콘 IC 열 기계적 특성 및 패키징을 제공하고 장비 제조업체는 모듈 재료에 대한 정보를 제공합니다. 제품 사용자는 사용 환경 정보를 제공합니다.
이 분석은 IC 설계자가 과도 및 대기 모드 작동에서 최악의 전력 손실에 대해 전력 FET 치수를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 많은 전력 전자 IC에서 전력 FET는 다이 영역의 상당 부분을 차지합니다. 열 분석은 설계자가 설계를 최적화하는 데 도움이 됩니다.
선택한 패키지는 일반적으로 금속의 일부를 노출시켜 실리콘 다이에서 방열판까지 낮은 열 임피던스 경로를 제공합니다. 모델에 필요한 주요 매개변수는 다음과 같습니다.
실리콘 다이 크기 종횡비 및 다이 두께.
전원 장치 영역 및 위치, 열을 발생시키는 모든 보조 드라이버 회로.
전력 구조 두께(실리콘 칩 내 분산).
실리콘 다이가 노출된 금속 패드 또는 금속 범프에 연결되는 다이 연결 영역 및 두께. 다이 부착 재료 에어 갭 백분율을 포함할 수 있습니다.
노출된 금속 패드 또는 금속 범프 연결부의 면적 및 두께.
몰딩 재료 및 연결 리드를 사용한 패키지 크기.
모델에 사용된 각 재료의 열전도율 특성이 필요합니다. 이 데이터 입력에는 다음을 포함하여 모든 열 전달 속성의 온도에 따른 변화도 포함됩니다.
실리콘 칩 열전도율
다이 어태치, 몰딩 소재의 열전도율
금속 패드 또는 금속 범프 연결 시 열전도율.
패키지 유형(packageproduct) 및 PCB 상호 작용
열 시뮬레이션을 위한 중요한 매개변수는 패드에서 방열판 재료까지의 열 저항을 결정하는 것이며 다음과 같은 방법으로 결정할 수 있습니다.
다층 FR4 기판(4층 및 6층 기판이 일반적임)
단일 종단 회로 기판
상단 및 하단 보드
열 및 열 저항 경로는 구현에 따라 다릅니다.
내부 방열판 패널의 열 패드 또는 범프 연결부의 열 비아에 연결합니다. 땜납을 사용하여 노출된 열 패드 또는 범프 연결부를 PCB의 최상층에 연결하십시오.
모듈의 금속 엔클로저에 부착된 돌출 방열판의 베이스에 연결할 수 있는 노출된 열 패드 또는 범프 연결 아래 PCB의 개구부입니다.
금속 나사를 사용하여 금속 케이스 PCB의 상단 또는 하단 구리층에 있는 방열판에 방열판을 부착합니다. 땜납을 사용하여 노출된 열 패드 또는 범프 연결부를 PCB의 최상층에 연결하십시오.
또한 PCB의 각 레이어에 사용되는 구리 도금의 무게나 두께도 중요합니다. 열 저항 분석의 경우 노출된 패드 또는 범프 연결에 연결된 레이어는 이 매개변수의 직접적인 영향을 받습니다. 일반적으로 이것은 다층 인쇄 회로 기판의 상단, 방열판 및 하단 레이어입니다.
대부분의 응용 프로그램에서 이것은 2온스 구리(2온스 구리= 2.8mils 또는 71µm) 외부 레이어와 1온스 구리(1온스 구리= 1.4mils 또는 35µm)일 수 있습니다. 내부 레이어 또는 모두 모두 1온스 구리 레이어입니다. 소비자 전자제품 응용 분야에서 일부는 {{10}}.5oz 구리(0.5oz 구리=0.7mils 또는 18µm) 층을 사용하기도 합니다.
모델 데이터
다이 온도를 시뮬레이션하려면 패키지 솔더링 지침을 준수하기 위해 다이의 모든 전력 FET와 실제 위치를 포함하는 IC 평면도가 필요합니다.
각 FET의 크기와 종횡비는 열 분포에 중요합니다. 고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 FET가 동시에 또는 순차적으로 전원이 공급되는지 여부입니다. 모델 정확도는 사용된 물리적 데이터 및 재료 특성에 따라 다릅니다.
모델의 정적 또는 평균 전력 분석에는 짧은 계산 시간이 필요하며 최고 온도가 기록되면 수렴이 발생합니다.
과도 해석에는 전력 대 시간 데이터가 필요합니다. 빠른 전원 펄스 동안 피크 온도 상승을 정확하게 캡처하기 위해 스위칭 전원 공급 장치 케이스보다 더 나은 분해능 단계를 사용하여 데이터를 기록했습니다. 이 분석은 일반적으로 시간이 많이 걸리며 정적 전력 시뮬레이션보다 더 많은 데이터 입력이 필요합니다.
이 모델은 다이 부착 영역의 에폭시 보이드 또는 PCB 방열판의 플레이팅 보이드를 시뮬레이션합니다. 두 경우 모두 에폭시/도금 보이드가 패키지의 열 저항에 영향을 미칠 수 있습니다.
열 시뮬레이션은 전력 제품 개발의 중요한 부분입니다. 또한 실리콘 칩의 FET 접합에서 제품의 다양한 재료 구현에 이르기까지 열 저항 매개변수 설정을 안내합니다. 서로 다른 열 저항 경로를 이해하면 많은 시스템을 모든 응용 분야에 맞게 최적화할 수 있습니다.
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