كيفية تحقيق كثافة الطاقة العالية في الاتفاق وحدات الإمداد بالطاقة

فهم كثافة الطاقة في السياق

وتفرض كثافة الطاقة - قياساً على الخيوط لكل بوصة مكعبة (W/in3) أو الخيوط لكل سنتيمتر مكعب (W/cm3) - كمياً للطاقة التي يمكن أن يوفرها الإمداد لكل حجم من الوحدات، وبالنسبة لوحدات الإمداد بالطاقة المدمجة، فإن كثافة الطاقة الكهربائية العالية تعني أن المهندسين يمكن أن يصلحوا أكثر من الارتطام في بصمة أصغر، وهو أمر أساسي بالنسبة للجيلات الإلكترونية الحديثة مثل

الاستراتيجيات الأساسية للتصميم من أجل كثافة الطاقة العالية

1 - العملية ذات التردد العالي

ويؤدي رفع تواتر تحويل محول الطاقة إلى خفض الحجم المادي للعناصر المغنطية (المتحولون والموصلون) والمكثفات، كما أن النادل الحديث (GaN) وكاربيد السيليكون (SiC) يمكن أن يتحول إلى مصانع ذات ترددات الترددات المتوسطة ذات السعة القصوى إلى 100 مصانع مقياس أقل من النموذج التقليدي لتصميمات الوصل.

2 - أجهزة تصوير متطورة في مجال الحرفيينات والمناظر

وكثيراً ما تهيمن المكونات المغناطيسية على حجم وحدة دعم البرامج، إذ إن استخدام المحولات المكوكية مع الرياح الخبيثة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور يقلل من الارتفاع ويحسن الانقلاب الحراري، وتسمح المواد الأسمدة العالية القدرة على الأداء (مثل 3F4 أو N87) بخفض عدد الدوارات والخسائر الأساسية، وبالنسبة للتصميمات المدمجة، فإن المغنطيسية المتكاملة تجمع بين الخاطف والمتحول إلى هيكل واحد، وتنقذ الفضاء، وتخفض من كثافة الاتصالات.

لمزيد من التفاصيل عن تصميم المحولات، انظر مذكرة تطبيقات (FLT:0) على مغناطيسيات المكوك ].

3 - موصلات نسقية ذات نطاق واسع

أما أجهزة الغاز والسي سي سي سي سي سي، فتتحول بسرعة أكبر وتعالج كميات أكبر من السيليكون، مما يتيح تقلبات أقل وأصولا أبسط، وتخفض أسعار الغازات المحتوية على بطاقات الدخول المنخفضة، وتخفض قيمة السائل المنوي وتخفض من حجم السائل المغنطيسي، وتنتج أجهزة التموين ذات الحجم الكبير (600 خامسا) مثل وحدات الضبط الخاصة بالحواسيب المحمولة وأجهزة تحويل المركبات الكهربائية.

4 - الإدارة الحرارية الفعالة

إن استخراج الحرارة هو الاختناقات في كثافة الطاقة، إذ أن وحدة دعم البرامج التي تولد 100 دبليو من الخسارة في حجم 1 سم3 ستحتاج إلى كثافة حرارية تبلغ 100 دبلوم/ثانية، تتجاوز بكثير التبريد التقليدي للهواء.

• Heat pipes and vapor chambers] to spread heat from hot spots to external fins.
• Direct liquid cooling] with microchannel cold plates for high-power density applications like data centers.
• Potting and encapsulation] with thermally conductive epoxies to conduct heat to the enclosure.
• Embedded heat sinks within the PCB using coin copper or aluminum core layers.

والمحاكاة الحرارية والتصميم المكرر للعلامات الاصطناعية ضرورية لموازنة الحجم وارتفاع درجة الحرارة، والمقياس المشترك هو المقاومة الحرارية من العصيان إلى المحيط (R.JA)، التي يجب أن تقلل إلى أدنى حد من أجل كثافة عالية.

5 - مركبات ثنائي الفينيل متعدد المراحل ذات العيون الصالحة

وتستخدم وحدات دعم التنفيذ التابعة للاتفاق على نحو دائم تقريباً مركبات ثنائي الفينيل متعدد المستويات (4-12 طبقة) لتكديس آثار الطاقة والطائرات الأرضية وطبقات الإشارة، مما يقلل من خطى الحلقة ويتيح إدخال مواد سلبية (مكثفات محترقة ومقاومة) وتشمل تقنيات التصميم الحرجة ما يلي:

• التقليل إلى أدنى حد من المسار السريع من المدخلات إلى الناتج عن طريق طائرات نحاسية مخصصة.
• وضع أجهزة التفكيك أقرب ما يمكن إلى تحويل FETs.
• استخدام آثار العصيان المتحكم بها لإشارة بوابة التردد العالي
• تجنب تداخل المصابيح والنوود الحساسة للحد من التدخل الكهرومغناطيسي.

ويمكن أن يؤدي وضع مخطط مصمم جيدا إلى خفض البصمة التي يُستخدمها ثنائي الفينيل متعدد الكلور بنسبة تصل إلى 30 في المائة مع تحسين الكفاءة بنسبة 1 إلى 2 في المائة.

6 - التكامل والتكامل في النظام الداخلي

(ب) إن إدماج المتحكم، وأجهزة المعلومات المالية، والمغنطيسية في مجموعة واحدة (وحدة القوى) يقلل بشكل كبير من الخسائر في الحجم والترابط، كما أن الشركات مثل شركة فيكور، وشركة إنفينيون، وصكوك تكساس تقدم وحدات " محولات الباص " التي تحقق ⁇ 400 W/in3 عن طريق تجميع المكونات الرأسية واستخدام مكثفات فرعية مهجورة (LTCC، DBC).

وللاطلاع على لمحة عامة عن تصميم وحدات الطاقة، انظر مقالة تقنية من شركة PPSMA عن تصميم وحدات الطاقة .]

اختيار الكثافة العالية القوة

Capacitors: Size vs. Ripple Current

وتمنح أجهزة الاستنشاق بالزجاجات المتعددة الصخور الكثافة العالية للسكك الحديدية المنخفضة التقلبات (مثلاً، 1 ميكروفلور في حزمة 002)، غير أن تصنيفها من الطلاء ومعاملتها في درجة الحرارة (X5R، X7R) يجب النظر فيها، كما أن الخانات الكهرمائية الكهرومغناطيسية، والمركبات ذاتية البوليستيرينية العالية أو البوليمرات العالية.

الموصلات والمتحولات

والمواد الأساسية ذات الكثافة العالية لتدفقات التشبع (مثل فيسي أو فيني أو المنوية أو المنوية) تسمح بمناطق أصغر من القطاعات، وتخفض أسلاك ليتز أو رياح الغيور من الخسائر العالية التردد في كل من الفينوس، وبالنسبة لتصميمات التجهيزات فوق البنفسجية، والموصلات (مثلاً بالنسبة للمحولين المتعددي المراحل) يمكن أن تتقاسمها.

موصلات سمائية: ما بعد سيليكون

وكما ذكر، فإن الشبكة العالمية للأخشاب والسي سي سي سي تفضل، وعندما تفرض قيود التكاليف على السيليكون، فإن استخدام نظام كولموسومات Silicon باستخدام أجهزة الاستديو أو التأليف السريع للجسد يمكن أن يؤدي إلى تحسين الكثافة مقارنة بالبرمجيات القديمة، وبالنسبة للمحولين ذوي الفول السوداني (100 خامسا) فإن مراحل الطاقة المتكاملة ذات المشبك النشط أو شبكة غاين الوطنية متاحة من عدة بائعين.

التهابات المتقدمة للكثافة العليا

أما بالنسبة للإمدادات المعزولة من الطاقة من طراز AC-DC، فإن المحول الصوتي لLC يتمتع بالشعبية بالنسبة للطاقة المتوسطة (200 W-2 KW) بسبب التحول الصفري والمغنطيسية الصغيرة، وبالنسبة للكثافة العالية، فإن تركيبة المركبات المتعددة القنوات التي لا تصل إلى مستوى الجسور، بالإضافة إلى تركيبة LLC يمكن أن تحقق كفاءة تبلغ 97 في المائة في الحجم السريع للناقلات النامية.

وعلم واعد آخر هو محول الكبسات المتحرك المتعدد المستويات الذي يستخدم أجهزة قياس صغيرة ويبدلها لزيادة تواترها الفعال دون زيادة فقدان التحويل، وللاطلاع على مقارنة شاملة، تحقق ] مقالة أجهزة الإلكترونية لدى الدول بشأن اختيار علم الطبقات الطبوغرافية .

التحديات العملية والمبادلات

وكثيراً ما تتضارب كثافة الطاقة العالية مع الأهداف الأخرى: التكلفة، والإيرادات البيئية، والموثوقية، والقابلية للتصنيع، مثلاً، يؤدي ارتفاع الترددات إلى خفض حجم المغناطيسية، ولكن يزيد من خسائر تأثير الجلد ويزيد من حجم الانبعاثات المشعة، وقد يتطلب الاجتماع حدوداً للانبعاثات (CISPR 22) ترفيهات إضافية تضيف الحجم، ويمكن أن يؤدي التقلب الحراري والبقع الساخنة إلى تدهور المكثفات وتباع في الموثيق على مر الزمن، وبالتالي إلى تعطل.

ويمكن أن يؤدي التطعيم الطفيلي في تصميم كثيف إلى حدوث طلقات ورنين في الفولطاج، مما يتطلب من المناقصات التي تضيع الطاقة، وكثيرا ما يتهاوى المهندسون بين المحاكاة (FEA) للمغناطيسية، و CFD للحرارة، وSPICE للكهرباء) وقياسات نموذجية للربط على تصميم يوازن الأداء مع القيود العملية.

الاتجاهات المستقبلية في وحدات دعم التنفيذ التابعة للاتفاق

ويتواصل الضغط على كثافة الطاقة مع اتجاهات مثل التغليف 3D (الموتى المكبوتة)، وتكامل الغازات على السي، وسائقات البوابة المتقدمة، وباستخدام التكامل الرأسي، مثل التعبئة الغذائية بواسطة قنابل السيليكون عبر النسيج، يمكن أن يقلل من فقدان الاتصال بين الشبكات ومن الموصلات الطفيلية، كما أن المحولات المتعددة الحركية التي تتقاسم الترددات الأساسية المغنطة واحدة آخذة في التكييف من أجل تكييف تطبيقات الرقمية ذات الاستخدام الأمثل للتحكم في الحمولة.

وأنظروا إلى الجيل القادم من مظاهرات الكثافة الكهربائية، وانظروا خريطة تصميمات الكهرباء إلى 1000 W/in3 .

خاتمة

إن تحقيق كثافة عالية في الطاقة في وحدات الإمداد بالطاقة المدمجة يمثل تحديا هندسيا متعدد التخصصات يتطلب اختيارا دقيقا للأطبوغرافية وشبه الموصلات والمواد المغناطيسية واستراتيجيات الإدارة الحرارية، وبزيادة استخدام أجهزة الاستغناء عن النطاقات الواسعة، ومغناطيسية المكوك، وتشغيل التردد العالي، وتركيب الذكاء، يمكن للمصممين اليوم أن يقدموا أكثر من ١٠٠ دبلوم/سم ٣ في المنتجات العملية.