Virransiirron perusteet ja lämpöherkkyys

Vaihtovirtalähteet ovat nykyelektroniikan kaikkialla käytössä, mikä tuottaa säännellyn tasavirtavirran AC- tai DC-lähteestä, jossa on korkea hyötysuhde. Toisin kuin lineaariset säätimet, kytkentälähteet käyttävät suurtaajuuskytkinelementtiä (tyypillisesti MOSFET) ja magneettimuuntajaa, joka nostaa jännitettä tai laskee. Tämä kytkentäprosessi tuottaa lämpöä sivutuotteena, luo itsekiinnityssyklin, jossa lämpötilan nousu lisää komponenttihäviöitä, mikä puolestaan lisää lämpöä. Lämpötilan ja luotettavuuden välisen yhteyden ymmärtäminen on siksi välttämätöntä kaikille, jotka suunnittelevat, määrittelevät tai ylläpitävät sähkönmuuntamisjärjestelmiä.

Lämpörasitus on yksi ennenaikainen vika sähkön lähteiden vaihtamisessa. Teollisuuden sovellusten kenttätiedot osoittavat, että 10 °C:n nousu käyttölämpötilassa voi puolittaa tiettyjen komponenttien, erityisesti elektrolyyttisten kondensaattoreiden, odotetun käyttöiän. Tämä herkkyys syntyy, koska sisäiset materiaalit ja liitokset vanhenevat nopeammin korkeissa lämpötiloissa ja koska nopeat lämpötilan muutokset aiheuttavat mekaanista rasitusta.

Miten lämpötilavaihtelut vaikuttavat luotettavuuteen

Lämpötilavaihtelut vaikuttavat virtalähteisiin useiden eri mekanismien kautta. Jokainen mekanismi kohdistuu tiettyihin komponentteihin ja voi johtaa sekä asteittaiseen heikkenemiseen että äkilliseen katastrofiin.

Vaikutus elektrolyyttisiin kondensaattoreihin

Alumiiniset sähkökondensaattorit ovat yksi lämpötilan kannalta herkimmistä osista kytkentätehon saannissa. Niiden elektrolyytti haihtuu hitaasti ajan myötä, prosessi eksponentiaalisesti kiihtyy lämmön vaikutuksesta. 85 °C:ssa tyypillinen kondensaattori voi olla arvioitu elinikä 2 000 tuntia; 65 °C:ssa, että sama kondensaattori voi kestää 10 000 tuntia tai enemmän. Suhde seuraa []Arrhenius-laki[], jossa 10 °C:n nousu voi johtaa noin kaksinkertaiseen elektrolyyttihäviön reaktionopeuteen. Kun elektrolyyttien kuivuminen, kapasitanssin pudotukset ja vastaava sarjan vastus (ESR) nousee, aiheuttaa lisääntyneen aaltojännitteen ja lisälämmityksen. Tämä positiivinen palaute voi lopulta johtaa pulppeisiin, vuotoihin tai katastrofaaliseen epäonnistumiseen.

Matalan lämpötilan toiminta myös korostaa kondensaattoreita. Elektrolyytin viskositeetti kasvaa, estriumin määrä nousee ja kapasitanssi vähenee. Jos syötön on alettava −40 °C:ssa, virta voi vahingoittaa kondensaattoria ennen kuin se voi lämmetä.

Vaikutus tehopuolijohteisiin

MOSFET-järjestelmän ja diodien jännitteen vaihteluun kytkentävaiheessa vaikuttaa suoraan liitäntälämpötila. MOSFET-järjestelmän resistenssi ([[[]]]][[]]DS(on)[[[]]]) aiheuttaa lämpötilan nousun, tyypillisesti noin 0,5 prosenttia/°C. Korkeampi [[]R[[]]DS(on)[] johtaa suurempaan johtumishäviöön, joka nostaa liitäntälämpötilaa edelleen, luo lämpöä valuvan riskin, jos lämpöä ei ole riittävästi. Vastaavasti diodien etujännite laskee ja takaisinkertyvyyshäviöt pahenevat lämmön myötä.

Lämpökierto . Toistuvat retket kylmän ja kuuman välillä ... aiheuttaa erottavaa kasvua piin die ja pakkaus johtaa. Yli tuhansia sykliä, tämä voi tuottaa halkeamia juotos nivelissä tai delaminointi die liitäntä materiaali, johtaa jaksottaiseen toimintaan tai avoin piiri. Auton teholähteet, jotka kokevat laajoja lämpötilavaihteluja moottorin lahden lämpöä talvella kylmä, ovat erityisen alttiita.

Vaikutus magneettikomponentteihin

Muuntajat ja induktorit luottavat ferriittiytimiin, joiden magneettiset ominaisuudet muuttuvat lämpötilan myötä. Kohonneissa lämpötiloissa ydinhäviöt (hystereesi ja pyörrevirta) lisääntyvät ja kyllästysvirran tiheys laskee. Muuntaja, joka toimii normaalisti 25 °C:ssa, voi kyllästää korkealla jännitteellä ja korkealla lämpötilalla, mikä aiheuttaa suuria virtapiikkejä, jotka korostavat kytkentätransistoria ja mahdollisesti tuhoavat sen. Lämpö ikääntyminen myös heikentää käämityksen eristystä ja lisää lyhytkäännösten riskiä.

Luotettavuus: Lämpötila ja elinikä

Insinöörit käyttävät useita empiirisiä malleja ennustaakseen lämpötilan vaikutusta virransyöttöikään. Yleisin on Arrhenius-malli, joka ilmaisee vikanopeuden lämpötilan eksponentiaalisena funktiona:

]λ(T) = A × exp(-Ea / (k × T))[]

jossa λ on vika-aste, A on preeksponentiaalinen tekijä E[]a on aktivointienergia (tyypillisesti 0,7.7.1.0 eV elektrolyyttisten kondensaattoreiden osalta), k on Boltzmannin vakio ja T on absoluuttinen lämpötila. Tämä malli tukee monia koristeluohjeita ja sitä käytetään standardeissa kuten MIL-HDBK-217 ja Telcordia SR-332.

Lämpöpyöräilystä johtuvan mekaanisen väsymyksen osalta Coffin-Mansonin yhtälö viittaa syklien määrään syklien epäonnistumiseen syklisessä lämpötila-alueella:

]N[]f = C × (ΔT)[-m[[]]

jossa N[]f on vikasyklien lukumäärä, ΔT on lämpötilavaihtelu ja m on tyypillisesti 1,5-3 juotosliitoksille. Näiden mallien avulla suunnittelijat voivat arvioida kentän luotettavuutta ja asettaa kelpoisuustestivaatimukset.

Ulkoinen linkki:[] Lisätietoja Arrheniuksen yhtälöstä luotettavuustekniikassa, ks. Luotettavuus HotWire: The Arrhenius Model.

Suunnittelustrategiat lämpövarmuuden parantamiseksi

Luotettavuuden parantaminen lämpötilan paineessa edellyttää monipuolista lähestymistapaa, joka kattaa komponenttien valinnan, piiritopologian, lämmönhallinnan ja mekaanisen suunnittelun.

Lämpötilojen hallintatekniikat

Suorin tapa lieventää lämpötilan vaikutuksia on poistaa lämpöä tehokkaasti.

  • Passive heatsinks[ ... .....................................................................................................................................................................................................................................
  • Forced ilmajäähdytys[ ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  • Liquid collatory[ . ... ..................................................................................................................................................................................................................................
  • Pyörittäminen ja kapselointi[ ... ... Lämpöjohtavat epoksit tai silikonit täyttävät osien ympärillä olevat tyhjiöt, vähentävät kuumat kohdat ja parantavat lämpöä koteloon.
  • Lämmitysputket ja höyrykammiot[ ... Kaksivaiheiset laitteet, jotka kuljettavat lämpöä hyvin alhaisella lämpövastuskyvyllä, jotka ovat hyödyllisiä lämmön keskittämisessä kaukolämpösinikkeeseen.

Osan valinta ja koristelu

Valitsemalla komponentteja, joiden lämpötila on laaja, on tärkeää. Käytä elektrokondensaattoreissa 105 °C tai 125 °C:n mitoitettuja osia, vaikka odotettu ympäristö on pienempi; ylimääräinen marginaali pidentää merkittävästi elinaikaa. Valitse MOSPET-laitteita, joiden lämpötila on alhainen []R[[]]][[]DS[[[]]]]] korkeassa lämpötilassa, ja varmista, että liitoslämpötila ei koskaan ylitä 80 prosenttia absoluuttisesta enimmäisarvosta huonoimmissa tapauksissa. Ferriittiytimet tulisi valita alhaiseen häviöön käyttötaajuudella ja odotetulla lämpötilalla.

Ohjeiden määrittäminen alan standardeista (esim. IPC-9592, JEDEC JESD74) suosittelee, että jännitteelle, virta- ja teholuokille sovelletaan 0,5-0,8:aa turvallisuuskerrointa, jossa regenerointikerroin on säädetty ympäristön lämpötilaan. Esimerkiksi 100 V:n kondensaattorille ei tulisi altistaa yli 80 V:tä 85 °C:n lämpötilassa.

Ulkoinen linkki:[ Käytännön opas on saatavilla sotilasilmailusta: Komponenttien Derating for Power Supplies.

Asettelu ja mekaaniset näkökohdat

Painettu piirilevyn ulkoasu vaikuttaa merkittävästi lämpötehoon. Aseta korkealämpöiset komponentit lähelle laudan reunaa tai suuren kuparin kaadon yli. Käytä lämpöä lämmön siirtämiseen sisämaatasolle. Vältä kuumien osien ryhmittelyä, sen sijaan jakaudu niiden avulla paikallisen lämpötilan nousua. Läpireiän komponentit varmistavat asianmukaisen juotteen fileemuodostuksen minimoidaksesi stressin lämpölaajenemisen aikana.

Korkean luotettavuustason malleissa kannattaa käyttää alumiinifoliopohjaisista materiaaleista valmistettuja lämpötyynyjä, jotka kaksinkertaistuvat lämmönlevittiminä. Lisäksi on suunniteltava kotelo, joka mahdollistaa luonnollisen konvectionilman kulkuväylän .

Testaus- ja validointimenetelmät

Mikään simulaatiomäärä ei korvaa reaalimaailman lämpötestausta.

  • termaalinen pyöräily[ ... .......................................................................................................................................................................................................................................
  • High- temperature operation life (HTOL)] ... ..........................................................................................................................................................................................................................
  • ]Termaalinen kuvantaminen[ ... .....................................................................................................................................................................................................................................
  • Acceleated life test (ALT) ... ..................................................................................................................................................................................................................................

Ulkoinen linkki:[ Sähkönsyötön luotettavuuden testausstandardien yksityiskohtainen yleiskatsaus IEEE 1624-2008: Tasavirta- ja vaihtovirtalähteen luotettavuus .

Päätelmä

Lämpötilavaihtelut ovat edelleen yksi suurimmista uhista vaihtaa virransyöttöä luotettavuutta. Akselien kondensaattori vanhenemisesta lämpöä valuvaan puolijohde-ja väsymys juotosliitoksissa, vaikutukset ovat laaja ja usein toisiinsa liittyviä. Ymmärtämällä taustalla fyysiset mekanismit . Ja käyttämällä vankoja suunnittelukäytäntöjä, kuten asianmukaista jäähdytystä, osien koristelua ja perusteellista testausta . Insinöörit voivat rakentaa virtalähteitä, jotka tuottavat johdonmukaista suorituskykyä vuosien toiminnan vaikeissa olosuhteissa.

Laajakaistaisten puolijohteiden (piikarbidi ja galliumnitridi) käyttöönotto lupaa tulevaisuudessa korkeampia käyttölämpötiloja ja pienempiä hävikkejä, mikä lieventää monia tässä kuvattuja lämpöhaasteita. Yhdessä kehittyneen digitaalisen ohjausjärjestelmän kanssa, joka voi säätää kytkentätiheyttä ja käyttösykliä reaaliajassa lämpötilan hallitsemiseksi, seuraavan sukupolven virtalähteet ovat kestävämpiä kuin koskaan. Lämpöhallinnan perusperiaatteet ovat kuitenkin keskeisessä asemassa sähkönsyötön suunnittelussa lähitulevaisuudessa.