优化热管理以获得最佳性能和可靠性

日期:2018-08-12

效率永远不会超过100%,即使在最好的系统中也是如此
作者:Rudy RamosMouser Electronics
 
功率转换对于几乎所有电子系统都是常见的。效率至关重要,无论目标是为一个小型电池供电设备最大化运行时间,降低到数据中心服务器的公用事业成本或其他,如确保成本平价的可再生能源。
效率永远不会超过100%,即使在最好的系统中也是如此。少量的未转移能量转化为热量,从而带来可靠性挑战。没有有效的热管理,散热元件如功率晶体管或电阻器可能运行过热,导致早期故障,或在极端情况下可能超过其最大额定温度,导致快速损坏。
可靠性遵循Arrhenius定律,它激励冷却:将元件的工作温度降低10°C可以使其寿命延长一倍。此外,采取步骤以确保较低的结温可以增加功率能力,并且允许电源在更宽的环境温度范围内安全地工作。
进入功率晶体管但未转移到负载的小比例功率从每个器件的结处耗散。结温与该功率耗散有关:
 
Tjmax = (PDmax x Rθja) + Ta
 
其中Tjmax = 最大结温
PDmax = 最大功耗
Rθja = 从结到环境的热阻抗
Ta = 环境温度
 
在设计电源时,目的是设计一个结温度,它不仅能保护器件,而且能保证所需的可靠性。可以使用数据表效率曲线来估计最大功耗。类似地,热阻抗θja从结到环境,可以从数据表曲线中找到,也可以考虑诸如PCB金属化和气流的冷却效应。
 
如果不能获得可接受的结温,当将所需的功率传递给负载时,设计努力必须集中于减少θja。可以使用多种技术来实现这一目标。这些包括:
·         封装选择,利用具有增强内部特征的封装,如高效散热夹,以取代传统的线键,或在片芯的下侧或上侧或两侧进行扩大的金属化区域用于双面冷却;这些区域直接连接到散热片或暴露的金属焊盘,可焊到PCB金属化或连接到散热器。
·         板设计,包括增加铜厚度,或者在连接到散热板的热部件下面添加热通孔,例如热镀金属层。如果需要极高的散热,也可以考虑绝缘金属基板。
更公开的热管理技术,如散热器或热管,可能与冷却风扇结合。
问题在于,这些技术的组合应如何用于最佳的有效性、可接受的尺寸和重量,以及对材料清单(BOM)成本的最小影响。答案并不总是显而易见的,但解决方案的过度或不足的潜在后果是显而易见的。
建立多个原型来探索不同的热设计可能是不可行的。另一方面,如果选择的解决方案被发现不适合后来的项目,重新设计板添加额外的热通孔或接受不同的封装风格可能是不切实际的。
幸运的是,援助即将到来。热模拟软件可以帮助工程师从系统的角度可视化热行为,并在提交第一个原型之前发现任何问题区域。
一些在线工具甚至免费使用。TI的WebTHERM™是一个例子,可以在WEBENCH®在线环境下对电源设计进行热分析。电源最初被设计为WEBENCH项目,使用所选择的控制器或DC/DC转换器IC,以及诸如电源输入和输出电压范围的已知要求。
一旦基本设计完成,WEBENCH编译材料清单,并计算参数,如功耗和θja。这些可用于使用已知的环境温度数据手动计算Tjmax。然而,运行webTHERM仿真允许用户以图形方式看到热性能,并且还显示次要效应,例如组件的共同加热,否则难以可视化。模拟的结果是色温曲线,有助于快速识别任何关注的区域。
为了运行仿真,用户输入诸如负载电流、顶部和底部环境温度,以及器件外壳温度的设置。热仿真可以在几分钟内运行,捕获结果可以使用色温曲线图形化地分析。如果需要,可以通过改变板的尺寸或在任何层上的铜特性,或者添加和调节热通孔,来改变WEBENCH的设计,以优化热性能。
可以运行多个仿真,并进行比较以识别产生可接受的温度的设计。如果一个合适的Tjmax不能保证,可以用额外的热管理,如散热器或热管,以更快地从系统中去除热能。温度曲线可以帮助关注主要关注的领域。
 
添加散热器
散热器易于理解,非常可靠,没有移动部件,没有故障模式,没有操作成本。通常是铝或铜,它们可以简单的冲压金属翼,旨在应用到一个晶体管,铣削或挤压零件与翅片设计截取可以对流气流最大传热。对流自然发生,温暖的空气上升,使流动持续。必须注意确保从入口到出口的畅通气流,也要确保入口被放置在散热器和出口上方的水平之下。这是必要的,以防止过热的空气滞留在热部件上方,这会加剧结温升高。
尽管散热片有很多优点,但如果散热量大,散热片会变大、重量大、成本高。对于最佳气流的定位约束可能危及板布局,并且翅片可能会被灰尘或污垢堵塞,从而阻碍冷却。将散热器适当地连接到元件上,用夹子或螺钉和一层热界面材料(TIM),也增加了装配时间。
 
大量的散热片可从Aavid Thermalloy或Wakefield-Vette等制造商获得,其中包括优化器件以满足特定组件,如处理器或FPGA。另一方面,散热器选择可以基于其减少θja的考虑、从芯片结到散热器周围空气的总热阻抗的影响来计算,从而导致相对于功率耗散的结温更低。
图1示出了一种热增强封装的功率晶体管,其设计用于在PCB中使用顶部安装散热器来进行高效的双面冷却。该系统被示为建模的热阻抗网络Rth,在有源结和板的上方和下方周围环境之间。散热器Rth热阻抗表示热从散热器底部转移到周围环境的效率。
 

1:增加散热器以提高热增强功率封装的顶部侧冷却
 
用热管延长设计自由度
在一些设计中,对整体尺寸或板布局或阻碍气流的约束可防止将所需尺寸的散热器直接连接到转换器IC或功率晶体管。热管(图2)可以提供一种实用的替代方案,这使得热量可以从源移动到另一个位置,在该位置上可以放置合适的散热器或扩散器,并且提供更大的气流来冷却。所示的部分是Wakefield-Vette 120231型,可以处理高达25W的热负荷,但只有6mm直径×100mm长。
热管本身不是散热器,而是一个密封管,它通过利用相变原理来将热从热端传递到冷端。热在热端被吸收并蒸发管内的工作流体。蒸汽向冷却端流动,并凝结成液体,释放热量。然后液体回到管道的热端重复这个过程。热管的优点之一是不需要功率来维持这种相变机构,并且设计者可以自由地将热管的冷端定位在最合适的位置。
 

2:热管可用于各种形状和尺寸,或可定制,以将热量传递到散热风扇散热的便利场所。
 
 
强制风冷
如果使用散热器或热管的被动热管理不能达到期望的结温,则可以考虑使用来自诸如Delta Electronics的高质量风扇强制空气冷却。风机通过选择风扇尺寸和调节速度来增加或减少气流,提供了优化冷却的灵活性。
 
结论
适当的热管理对于最大限度地提高板载电源或DC/DC转换器的性能和可靠性至关重要。设计者有大量的工具可供选择,但重要的是避免过度设计,以防止过大的体积、BOM成本,或复杂的装配挑战。精确的热仿真工具是免费提供的,它提供了一个视觉指南,在构建硬件之前解决热管理挑战。其他技术,如定制选择的散热器、热管或冷却风扇,可以帮助克服对电路布局或气流的更广泛的系统约束。
 
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