Падрабязнае тлумачэнне высокаэфектыўнага корпуса верхняга цеплаадводу MOSFET

Большасць МАП-транзістараў, якія выкарыстоўваюцца ў сілавых прыладах, — гэта прылады павярхоўнага мантажу (SMD), у тым ліку ў такіх корпусах, як SO8FL, u8FL і LFPAK. Прычына, па якой звычайна выбіраюць гэтыя SMD, заключаецца ў тым, што яны маюць добрую магутнасць і меншы памер, што дапамагае дасягнуць больш кампактных рашэнняў. Нягледзячы на ​​тое, што гэтыя прылады маюць добрую магутнасць, часам эфект цеплааддачы не ідэальны.

З-за непасрэднай пайкі вывадной рамкі (у тым ліку адкрытых дрэнажных пляцоўк) прылады да меднай вобласці, цяпло перадаецца ў асноўным праз друкаваную плату. Астатняя частка прылады знаходзіцца ў пластыкавай упакоўцы і можа рассейваць цяпло толькі за кошт канвекцыі паветра. Такім чынам, эфектыўнасць цеплаперадачы ў значнай ступені залежыць ад характарыстык друкаванай платы: памеру плошчы меднага пакрыцця, колькасці слаёў, таўшчыні і размяшчэння. Такая сітуацыя можа ўзнікнуць незалежна ад таго, усталявана плата на радыятары ці не. Максімальная магутнасць тыповых прылад не можа дасягнуць аптымальнага ўзроўню, таму што друкаваныя платы звычайна не маюць высокай цеплаправоднасці і цеплавой масы. Каб вырашыць гэтую праблему і яшчэ больш паменшыць памеры прымянення, прамысловасць распрацавала новы корпус MOSFET, у якім вывадная рамка (сток) MOSFET знаходзіцца ў верхняй частцы корпуса (як паказана на малюнку 1).

Малюнак 1. Верхні корпус цеплааддачы

1. Перавагі кампаноўкі з верхнім рассейваннем цяпла

Нягледзячы на ​​тое, што традыцыйныя сілавыя SMD-мадэлі з'яўляюцца выгаднымі для дасягнення мініяцюрызацыйных рашэнняў, яны патрабуюць, каб іншыя кампаненты не размяшчаліся на задняй панэлі друкаванай платы пад ёй з-за меркаванняў цеплааддачы. Некаторая прастора на друкаванай плаце не можа быць выкарыстана, што прыводзіць да павелічэння агульнага памеру канчатковай платы. А верхні кампанент радыятара можа абысці гэтую праблему: яго цеплааддача ажыццяўляецца праз верхнюю частку прылады. Такім чынам, кампаненты можна размясціць на плаце пад MOSFET.

Гэтая прастора можа быць выкарыстана для размяшчэння наступных кампанентаў (але не абмяжоўваючыся імі):

прылада харчавання

схема кіравання засаўкай

Дапаможныя кампаненты (кандэнсатары, буферы і г.д.)

І наадварот, гэта таксама можа паменшыць памер друкаванай платы, скараціць шлях сігналаў кіравання затворам і дасягнуць больш ідэальнага рашэння.

Малюнак 2. Месца для прылад на друкаванай плаце

У параўнанні са стандартнымі SMD-прыладамі, кампаненты з верхнім радыятарам не толькі забяспечваюць большую прастору для разводкі, але і памяншаюць цеплавое перакрыццё. Большая частка цяпла ад верхняга корпуса цеплаадводу трапляе непасрэдна ў радыятар, таму друкаваная плата вытрымлівае менш цяпла. Гэта дапамагае знізіць рабочую тэмпературу навакольных прылад.

2. Перавага ў цеплавых характарыстыках за кошт верхняга цеплааддачы

У адрозненне ад традыцыйных MOSFET для павярхоўнага мантажу, верхні корпус для рассейвання цяпла дазваляе падключыць радыятар непасрэдна да вывадной рамы прылады. З-за высокай цеплаправоднасці металаў матэрыялы радыятараў звычайна вырабляюцца з металаў. Напрыклад, большасць радыятараў выраблены з алюмінію з цеплаправоднасцю ад 100 да 210 Вт/мк. У параўнанні з традыцыйным метадам рассейвання цяпла праз друкаваную плату, гэты метад рассейвання цяпла праз матэрыялы з высокай цеплаправоднасцю значна зніжае цеплавое супраціўленне. Цеплаправоднасць і памер матэрыялу з'яўляюцца ключавымі фактарамі, якія вызначаюць цеплавое супраціўленне. Чым ніжэйшае цеплавое супраціўленне, тым лепшая цеплавая рэакцыя.

Rθ=абсалютны цеплавы супраціў

Δ X = таўшчыня матэрыялу, паралельная цеплавому патоку

A = плошча папярочнага сячэння, перпендыкулярная цеплавому патоку

K = цеплаправоднасць

Акрамя паляпшэння цеплаправоднасці, радыятары таксама забяспечваюць большую цеплавую масу, што дапамагае пазбегнуць насычэння або забяспечыць большую цеплавую пастаянную часу. Гэта звязана з тым, што памер верхняга радыятара можна змяняць. Пры пэўнай колькасці падведзенай цеплавой энергіі цеплавая маса або цеплаёмістасць прама прапарцыйная зададзенай змене тэмпературы.

Cth = цеплаёмістасць, Дж/К

Q = Цеплавая энергія, Дж

ΔT = змяненне тэмпературы, K

Друкаваныя платы часта маюць розную кампаноўку, і калі таўшчыня меднай фальгі малая, гэта можа прывесці да меншай цеплавой масы (цеплаёмістасці) і дрэннага распаўсюджвання цяпла. Усе гэтыя фактары не дазваляюць стандартным MOSFET-транзістарам для павярхоўнага мантажу дасягнуць аптымальнай цеплавой рэакцыі падчас выкарыстання. Тэарэтычна, верхні корпус для цеплааддачы мае перавагу ў непасрэдным рассейванні цяпла праз крыніцу з высокай цеплавой масай і высокай цеплаправоднасцю, таму яго цеплавая рэакцыя (Zth (℃/Вт)) будзе лепшай. Пры пэўным павышэнні тэмпературы пераходу лепшая цеплавая рэакцыя будзе падтрымліваць больш высокую ўваходную магутнасць. Такім чынам, для аднаго і таго ж MOSFET-чыпа, чыпы з верхнім корпусам для цеплааддачы будуць мець больш высокія токавыя і энергаёмістыя характарыстыкі, чым чыпы са стандартным SMD-корпусам.

Малюнак 3. Шляхі рассейвання цяпла для верхняга корпуса для рассейвання цяпла (уверсе) і корпуса SO8FL (унізе).

3. Тэставая ўстаноўка для параўнання цеплавых характарыстык

Каб прадэманстраваць і пацвердзіць перавагі верхняга цеплавога адводу цяпла ў цеплавых характарыстыках, мы правялі выпрабаванні, якія параўноўвалі павышэнне тэмпературы чыпа і цеплавую рэакцыю прылад TCPAK57 і SO8FL пры аднолькавых цеплавых граничных умовах. Для забеспячэння эфектыўнасці дзве прылады былі пратэставаны пры аднолькавых электрычных умовах і цеплавых межах. Розніца заключаецца ў тым, што радыятар TCPAK57 усталяваны над прыладай, а радыятар прылады SO8FL усталяваны ў ніжняй частцы друкаванай платы, непасрэдна пад вобласцю MOSFET (Малюнак 3). Гэта адлюстраванне выкарыстання прылады ў палявых умовах. Падчас перыяду выпрабаванняў таксама выкарыстоўваліся розная таўшчыня цеплавых інтэрфейсных матэрыялаў (TIM), каб праверыць, які корпус прылады можна аптымізаваць з выкарыстаннем розных цеплавых межаў. Агульнае выпрабаванне праводзіцца наступным чынам: да гэтых двух прылад падаецца фіксаваны ток (такім чынам, фіксаваная магутнасць), а затым кантралюецца змяненне тэмпературы пераходу, каб вызначыць, якая прылада працуе лепш.

4. Выбар прылады і размяшчэнне друкаванай платы

Што тычыцца выбару прылад, MOSFET у кожным корпусе маюць аднолькавы памер крышталя і выкарыстоўваюць адну і тую ж тэхналогію. Гэта робіцца для таго, каб кожная прылада мела аднолькавае спажыванне энергіі пры зададзеным току і забяспечвала паслядоўную цеплавую рэакцыю на ўзроўні корпуса. Такім чынам, мы можам быць упэўнены, што вымераныя адрозненні ў цеплавой рэакцыі абумоўлены адрозненнямі ў корпусе. Па гэтых прычынах мы вырашылі выкарыстоўваць TCPAK57 і SO8FL. Яны выкарыстоўваюць крыху розныя канструкцыі заціскаў і вывадных рамак: адна з вывадамі (TCPAK57), а другая без вывадоў (SO8FL). Варта адзначыць, што гэтыя адрозненні невялікія і не будуць мець істотнага ўплыву на цеплавую рэакцыю ў стацыянарным рэжыме, таму імі можна занядбаць. Пасля задання параметраў выбраныя прылады наступныя:

NVMFS5C410N SO8FL

NVMJST0D9N04CTXG TCPAK57

Каб яшчэ больш гарантаваць эквівалентнасць усіх астатніх цеплавых межаў, мы распрацавалі дзве аднолькавыя друкаваныя платы для размяшчэння ў корпусах SO8FL або TCPAK57. Канструкцыя друкаванай платы складаецца з 4 слаёў, кожны з якіх змяшчае 1 унцыю медзі. Памер складае 122 мм х 7 мм. Плата SO8FL не мае цеплавых пераходаў, якія злучаюць дрэнажную пляцоўку з іншымі праводзячымі слаямі друкаванай платы (што не з'яўляецца найлепшым для цеплааддачы); у гэтым параўнанні яе можна выкарыстоўваць як найгоршы сцэнар цеплааддачы.

Малюнак 5. Кожны пласт друкаванай платы (пласт 1 адлюстроўваецца ў левым верхнім куце, пласт 2 адлюстроўваецца ў правым верхнім куце, пласт 3 адлюстроўваецца ў левым ніжнім куце, а пласт 4 адлюстроўваецца ў правым ніжнім куце).

5. Радыятары і цеплаізаляцыйныя матэрыялы (TIM)

Радыятар, які выкарыстоўваўся падчас выпрабаванняў, выраблены з алюмінію і спецыяльна распрацаваны для ўстаноўкі на друкаваную плату. Радыятар памерам 107 мм × 144 мм астуджаецца вадкасцю, а зона цеплааддачы — 35 мм × 38 мм, размешчаная непасрэдна пад месцам MOSFET. Вадкасцю, якая праходзіць праз радыятар, з'яўляецца вада. Вада з'яўляецца распаўсюджаным астуджальным рэчывам у палявых умовах. Для ўсіх сцэнарыяў выпрабаванняў хуткасць патоку ўстаноўлена на фіксаванае значэнне 0,5 галона ў хвіліну. Вада можа забяспечыць дадатковую цеплаёмістасць, перадаючы цяпло ад радыятара ў сістэму водазабеспячэння, што дапамагае знізіць тэмпературу прылады.

Малюнак 6. Налады прыкладання

Для лепшага адводу цяпла ад інтэрфейсу MOSFET варта выкарыстоўваць цеплавыя запаўняльнікі зазораў. Гэта дапамагае запоўніць патэнцыйныя дэфекты на паверхні інтэрфейсу. Паветра, як дрэнны цеплаправоднік, павялічвае цеплавое супраціўленне ў любым паветраным зазоры. У якасці цеплавога запаўняльніка для выпрабаванняў выкарыстоўваўся герметык Bergquist 4500CVO з цеплаправоднасцю 4,5 Вт/мК. Выкарыстоўвайце некалькі розных таўшчынь гэтага цеплавога запаўняльніка, каб прадэманстраваць магчымасць аптымізацыі цеплавой рэакцыі. Фіксаваная таўшчыня дасягаецца за кошт выкарыстання дакладных пракладак паміж друкаванай платай і радыятарам. Мэтавая таўшчыня: ~200 мкм ~700 мкм.

6. Выпрабавальныя ланцугі і метады нагрэву/вымярэння

Абраная канфігурацыя платы — гэта паўмост, бо яна падыходзіць для ўніверсальнага палявога прымянення. Блізкае размяшчэнне дзвюх прылад адна да адной дакладна адлюстроўвае размяшчэнне на месцы, бо карацейшыя правады дапамагаюць паменшыць паразітныя эфекты. З-за цеплавога перакрыцця паміж прыладамі гэта будзе адыгрываць пэўную ролю ў цеплавой рэакцыі.

Каб забяспечыць адпаведны нагрэў пры меншым значэнні току, ток будзе праходзіць праз дыёд MOSFET. Каб пераканацца ў гэтым заўсёды, замкніце кантакты затвора і вытока. Цеплавая рэакцыя дадзенай прылады атрымліваецца шляхам спачатку награвання палявога транзістара паўмоста да дасягнення ўсталяванай тэмпературы пераходу (тэмпература больш не павялічваецца), а затым кантролю напружання сцёку вытока (Vsd) праз невялікую крыніцу сігналу 10 мА, калі тэмпература пераходу вяртаецца да тэмпературы астуджэння. Час, неабходны для дасягнення ўсталяванага цеплавога стану падчас працэсу награвання, роўны часу, неабходнаму для вяртання ў адсутны стан. Vsd дыёда лінейна залежыць ад тэмпературы пераходу, таму для карэляцыі яго з ΔTj можна выкарыстоўваць пастаяннае суадносіны (мВ/℃) (вызначанае характарыстыкамі кожнай прылады). Затым падзяліце ΔTj на працягу ўсяго перыяду астуджэння на спажыванне магутнасці ў канцы фазы награвання, каб атрымаць цеплавую рэакцыю (Zth) дадзенай сістэмы.

Вымярэнні крыніцы харчавання 2А, крыніцы харчавання 10 мА і напружання напружання апрацоўваюцца праграмай T3ster. T3ster — гэта камерцыйная выпрабавальная прылада, спецыяльна распрацаваная для маніторынгу цеплавой рэакцыі. Яна выкарыстоўвае згаданы раней метад для разліку цеплавой рэакцыі.

Малюнак 7. Схема электрычнага прывада

7. Вынікі гарачага параўнання

Вымерайце вынікі цеплавой рэакцыі кожнай прылады пры двух умовах:

200 мкм TIM

700 мкм TIM

Мэта гэтых двух вымярэнняў — вызначыць, якая ўпакоўка ў дадзенай кіраванай сістэме мае лепшую цеплавую рэакцыю, і цеплавую рэакцыю якой прылады можна аптымізаваць з дапамогай метадаў знешняга адводу цяпла. Варта адзначыць, што гэтыя вынікі не прымяняюцца да ўсіх ужыванняў, а спецыфічныя для згаданых цеплавых межаў.

Параўнанне ўпакоўкі з выкарыстаннем TIM 200 мкм, усталяванага на радыятары.

Для першага тэставання кожная прылада ўсталёўваецца на вадзяным радыятары з выкарыстаннем TIM 200 мкм. Кожная прылада атрымлівае імпульс 2 А, пакуль не дасягне ўстойлівага стану. T3ster кантралюе Vsd падчас цеплааддачы і суадносіць яго з крывой цеплавой рэакцыі сістэмы. Усталяванае значэнне цеплавой рэакцыі верхняга корпуса цеплааддачы складае ~4,13 ℃/Вт, у той час як значэнне SO8FL складае ~25,27 ℃/Вт. Гэта значная розніца адпавядае чаканым вынікам, паколькі верхні корпус цеплааддачы непасрэдна мацуецца на радыятар з высокай цеплаправоднасцю і вялікай цеплаёмістасцю, што дасягае добрага распаўсюджвання цяпла. Для SO8FL з-за нізкай цеплаправоднасці друкаванай платы эфект цеплаправоднасці нізкі.

Каб лепш зразумець, як выкарыстоўваць гэтыя перавагі ў розных прыкладаннях, значэнне цеплавой рэакцыі можна звязаць з магутнасцю, якую можа вытрымаць кожная прылада. Магутнасць, неабходная для павышэння Tj ад тэмпературы астуджальнай вадкасці 23 ℃ да максімальнай рабочай тэмпературы 175 ℃, разлічваецца наступным чынам:

Заўвага: Гэтая розніца ў магутнасці чакаецца ў гэтай канкрэтнай цеплавой сістэме.

У гэтай цеплавой сістэме верхні блок цеплааддачы можа вытрымліваць магутнасць, у 6 разоў большую, чым SO8FL. У лакальных умовах гэта можна выкарыстоўваць некалькімі рознымі спосабамі. Вось некаторыя з яго пераваг:

Калі неабходны ток пастаянны, дзякуючы палепшанай магутнасці, можна выкарыстоўваць меншы радыятар у параўнанні з SO8FL. Гэта можа прывесці да эканоміі сродкаў.

Для імпульсных крыніц сілкавання частату пераключэнняў можна павялічыць, захоўваючы пры гэтым падобны цеплавы запас.

Можа выкарыстоўвацца для больш магутных прымяненняў, якія першапачаткова не падыходзілі для SO8FL.

Калі памер чыпа пастаянны, верхні кампанент радыятара будзе мець большы запас трываласці ў параўнанні з SO8FL і працаваць пры больш нізкай тэмпературы пры зададзеным току.

Малюнак 8. Крывая цеплавога водгуку з выкарыстаннем TIM 200 мкм

Малюнак 9. Крывая змены тэмпературы з выкарыстаннем TIM 200 мкм

     

Параўнанне ўпакоўкі з выкарыстаннем TIM 700 мкм, усталяванага на радыятары.

Яшчэ адна выпрабавальная аперацыя была праведзена з выкарыстаннем TIM-пластыка таўшчынёй 700 мкм. Гэта было зроблена для параўнання змяненняў цеплавой рэакцыі з выпрабавальнымі TIM-пластыкамі таўшчынёй 200 мкм, каб праверыць уплыў знешніх метадаў цеплааддачы на ​​кожны корпус. Выпрабавальная аперацыя дала наступныя вынікі цеплавой рэакцыі: верхні кампанент радыятара склаў 6,51 ℃/Вт, а SO8FL — 25,57 ℃/Вт. Для верхняга цеплааддачы розніца паміж двума аперацыямі TIM складае 2,38 ℃/Вт, у той час як розніца паміж SO8FL складае 0,3 ℃/Вт. Гэта азначае, што метад знешняга цеплааддачы аказвае значны ўплыў на кампаненты верхняга цеплааддачы, але мала ўплывае на SO8FL. Гэта таксама чакалася, паколькі цеплавая рэакцыя верхняй прылады цеплааддачы ў асноўным заснавана на цеплавым супраціве пласта TIM. У параўнанні з радыятарамі, TIM мае меншую цеплаправоднасць. Такім чынам, па меры павелічэння таўшчыні цеплавое супраціўленне будзе павялічвацца, што прывядзе да больш высокага Rth.

Змена TIM у SO8FL адбываецца паміж друкаванай платай і радыятарам. Цяпло ад яе кампанентаў павінна распаўсюджвацца праз друкаваную плату, каб дасягнуць TIM і радыятара, таму змяненне таўшчыні мала ўплывае на цеплавое супраціўленне асноўнага цеплавога шляху. Такім чынам, змяненне цеплавой рэакцыі вельмі невялікае.

Змены цеплавой рэакцыі, выкліканыя зменай таўшчыні TIM, дэманструюць агульную перавагу верхняга корпуса для рассейвання цяпла. TCPAK57 мае адкрытую вывадную рамку ў верхняй частцы корпуса, што дазваляе лепш кантраляваць цеплавое супраціўленне цеплавога шляху. Для пэўных ужыванняў і метадаў рассейвання цяпла гэтая асаблівасць можа быць выкарыстана для аптымізацыі цеплавой рэакцыі. Гэта, у сваю чаргу, забяспечыць больш кіраваныя і карысныя магчымасці магутнасці. SO8FL і падобныя SMD-прылады цяжка рассейваюць цяпло праз друкаваную плату, на якой яны размешчаны, у залежнасці ад характарыстык друкаванай платы. Гэта некантралюемы фактар, бо ёсць шмат іншых зменных, якія трэба ўлічваць пры праектаванні друкаванай платы, акрамя цеплааддачы.

Малюнак 10. Крывая змены тэмпературы з выкарыстаннем TIM 700 мкм

Малюнак 11. Крывая змены тэмпературы з выкарыстаннем TIM 700 мкм

8. Кароткі змест ключавых момантаў

Верхні корпус цеплаадводу дазваляе пазбегнуць цеплавой перадачы праз друкаваную плату, скараціць шлях цеплавой перадачы ад чыпа да прылады цеплаадводу і, такім чынам, знізіць цеплавое супраціўленне прылады. Цеплавое супраціўленне непасрэдна звязана з характарыстыкамі радыятараў і цеплаізаляцыйных матэрыялаў. Нізкае цеплавое супраціўленне можа прынесці шмат пераваг у прымяненні, такіх як:

Калі неабходны ток пастаянны, дзякуючы палепшанай магутнасці, можна выкарыстоўваць меншыя па памеры прылады верхняга цеплаадводу ў параўнанні са стандартнымі SMD-прыладамі. І наадварот, гэта таксама можа прывесці да эканоміі сродкаў.

Для імпульсных крыніц сілкавання частату пераключэнняў можна павялічыць, захоўваючы пры гэтым падобны цеплавы запас.

Можа выкарыстоўвацца для больш магутных прылад, дзе стандартныя SMD-мадэлі не падыходзяць.

Калі памер чыпа пастаянны, верхні кампанент з радыятарам будзе мець большы запас трываласці ў параўнанні з эквівалентнымі SMD-прыладамі і будзе працаваць пры больш нізкай тэмпературы пры зададзеным току.

Больш магутная аптымізацыя цеплавога водгуку. Гэта дасягаецца шляхам змены матэрыялу і/або таўшчыні цеплавога інтэрфейсу. Чым танчэйшы цеплаізаляцыйны матэрыял (TIM) і/або чым лепшая цеплаправоднасць, тым ніжэйшы цеплавы водгук. Цеплавы водгук таксама можна змяніць, змяніўшы характарыстыкі радыятара. Верхні корпус цеплаадводу можа паменшыць распаўсюджванне цяпла праз друкаваную плату, тым самым памяншаючы цеплавое перакрыццё паміж прыладамі. Верхні корпус цеплаадводу выключае неабходнасць падключэння радыятара да задняй часткі друкаванай платы, што дазваляе больш кампактна размясціць кампаненты на друкаванай плаце.