תכנון כוח תואם עם טווחי הפעלה בטמפרטורות רחבות

פיתוח רחב-עוצמה אספקת חשמל

מערכות תעשייתיות, רכב ואווירה דורשות אספקה כוח המספק ביצועים יציבים ויעילים על פני קיצוניות טמפרטורה החל מ -55 מעלות צלזיוס ל +125 מעלות צלזיוס או רחב יותר. בניגוד לאלקטרוניקה של הצרכנים הפועלים בתוך אקלים מקורה צר, יישומים קריטיים למשימה חייבים לתפקד באופן אמין באקלים קר, חום המדברי, רכיבה מהירה על אופניים תרמיים, וסביבות תכנון גבוה ללכת הרבה מעבר ל- פשוט דירוגים; חייב לטפל פיזית, טיפול חומרי, שמירה על תנאי ניהול מחזור חיים קפדני, לחץ דם, לחץ דם, שמירה על יעילות מחזורית, לחץ דם קפדני, ותפקוד תקין, לחץ דם, לחץ דם, וסביבות ניהול מחזורי, שמירה על כל תנאי ניהול מחזורי, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, שמירה על איכות חיים, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, וסביבות מהירות, לחץ דם קפדני, טמפרטורה גבוהה, שמירה על איכות חיים, וסביבות תכנון גבוהה, שמירה על פני השטח, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, לחץ דם קפדני, טמפרטורה גבוהה, לחץ דם חום, לחץ דם קפדני, לחץ דם תרמי, שמירה על יעילות טמפרטורה גבוהה, וסביבות תכנון גבוהה, שמירה על פני השטח, שמירה על פני השטח, שמירה על פני השטח,

אספקה של כוח בטמפרטורה גבוהה נמצאים בתוך avionics, אוטובוסים לווייניים, כלי רכב חשמליים (EV) מערכות ניהול סוללות, כוננים תעשייתיים, שמן עף; כלי גז וציוד תקשורת צבאי.התוצאות של כשל אספקת חשמל בהקשרים אלה נע בין זמן ירידה יקר לסיכון בטיחות קטסטרופלי.

הבנת דרישות המבצע

לפני בחירת רכיבים או תכנון מעגלים, טווח הטמפרטורה המדויק חייב להיות מוגדר.סטנדרטים נפוצים כוללים MIL-STD-704 ו- DO-160 עבור אווירול (לעתים קרובות -55 ° C ל-125 ° C), AEC-Q100 עבור רכב (-40°C ל- +85 ° C או +105 ° C צומת טמפרטורה), ו- IEC 600 עבור ציוד תעשייתי (-75C ל- + 70 מעלות צלזיוס, עם זאת, עשוי להבטיח הפעלה בטוחה על ידי מעבדים).

דרינג כרוך רכיבים תפעוליים מתחת לדירוג המקסימלי המוחלט שלהם כדי להגדיל את האמינות.לדוגמה, טמפרטורת הצומת של 150 מעלות C עשויה להיות מוטבעת לפעול לא יותר מ-125 מעלות צלזיוס בתנאים נוחים. בדומה, capacitors לא צריך להיחשף למתחים ליד הדירוג המקסימלי שלהם בטמפרטורות גבוהות, כמו גם ירידה חדה של התמוטטות חשמל.A דרישות יסודיות צריך ללכוד לא רק את טווח יציב של טמפרטורה, אלא גם עלייה טמפרטורה).

אתגרים מרכזיים בעיצוב רחב של כוח פיתוי

המונחים: pift

שינויים בטמפרטורות סחפו גם ערכי הרכיב הפסיביים והאקטיביים כדי לשנות את התקני הטמפרטורות Resistor טמפרטורה (TC) של 50-500 ppm/ ° C יכולים לשנות דיבידנדים ורשתות חושים נוכחיים, המשפיעים על דיוק הרגולציה. Capacitors מפגינים שינוי חוזר עם טמפרטורה: X7Rקרמיקה עשויה להשתנות ±15% מעל -55 מעלות צלזיוס ל-125 מעלות צלזיוס, בעוד C0G/0 קרמיקה משתנה פחות מטמפרטורה נמוכה יותר מ-0.3%.

מתח תרמי ומחזור שומן

התרחבות חוזרת של PCB וההפצה של חומרים מדומים (למשל, סיליקון מת, מפרקים מכר, קומפלקס נחושת, תרכובת עובש) מייצרת מתח מכני שיכול לגרום סדקים, דחיסה, או כשלי חוט האג"ח.רכיבי אופניים תרמית מאיצים את העייפות המשותפת הנמכרת.שימוש ברכיבים תואמים של התרחבות תרמית (CTE) ואימוץ תהליכי ייצור חזקים (למשל, SAC, נמכר תחת סיכון C305) או קרמיקה (מתאים) קרמיקה) קרמיקה (מתאים ל- CABA) קרמיקה (CTE) קרמיקה) קרמיקה (CTED) קרמיקה (CLLCTED) קרמיקה (CLLD.

תחילת-Up ו- Low-Temperature Behavior

בטמפרטורות נמוכות מאוד (-40 מעלות צלזיוס ל -55 מעלות צלזיוס), הסטארט-אפ של אספקת החשמל הופך בעייתי.אלקטרוליטי קפצוגים הפחיתו באופן משמעותי את קיבולת ההגדלה והתנגדות סדרה מוגברת, אשר יכול למנוע טעינה נאותה של הציפוי הגדול, מה שגורם לעיגול להיכשל כדי לא להגיע למנעול מתחת לטמפרטורה נמוכה (UVLO) , מעגלים של אוקסלטורים עשויים להאט או להיכשל בשל תחילת תצוגות מוגברת של מחזורים חשמליים.

גבולות קירור גבוהים

בטמפרטורות גבוהות, חדר ראש תרמי מוגבל מפחית את היכולת לנתק חום.טמפרטורות צומת חייב להישאר מתחת לגבולות מוחלטים.הגדלת התדירות לצמצום גודל מגנטי גם מגביר את ההפסדים.התנהלות והחלפת הפסדים ב-MoaFET עולה עם טמפרטורה (RibphFLT:0DS(on) 1FLT:1 בדרך כלל יש TC חיובי TC מעצבs, יש צורך לייעל תדירות, להשתמש Syncous תיקון, 000 פעיל, כמו טיפול, כמו טיפול תרופתי, 000).

אסטרטגיות בחירה

Capacitors

(FLT:0Ceramic capacitorsFLT:1 â ¢ מעדיפים יישומים עתירי טווח רחב עקב גודלם הקטן ו- ESR נמוך, עם זאת, טמפרטורות שלהם חסכוניות משתנה על ידי כיתה: X5R (±15% מעל -55 מעלות צלזיוס ל- +85 ° C), X7R (15% מעל -55 מעלות צלזיוס ל-125 מעלות צלזיוס), ו- CG0 / ± 0 / ± נמוך יותר (%) אם יש צורך בטמפרטורה גבוהה יותר מ- 0.

כתובת:0.10.TDK Application Note - Ceramic Capacitor SelectionFLT

Resistors

השתמש ב-FLT:0 â €in-film מתנגדים 1 TC נמוך כמו ±10 / ° C עבור דיבידנדים מתח מדויק רשתות תחושה נוכחית.חזקי הסרט יש TC גבוה יותר (בדרך כלל ±100 ppm / ° C כדי ± 10 / C ל ± 200m / C) ויכול לשנות ערך בשל חשיפה עתירה גבוהה.

Semiconductors

בחר MOSFETs ודידות עם דירוגי טמפרטורה מורחבים (למשל, 55 מעלות צלזיוס ל +175 ° C TFLT:0JIRFLT:1) סיליקון carbide (SiC) נסגרו ו-SiC diodes C ל-125 מעלות צלזיוס אפילו בשימוש יותר ויותר באספקת חשמל בטמפרטורה רחבה, כי הם שומרים על עמידות נמוכה ומהירות גבוהה, עם לחץ נמוך, עם לחץ נמוך, עם לחץ נמוך, אבל יש צורך בטמפרטורות נמוכות יותר, אבל יש צורך בטמפרטורות נמוכות יותר, אבל יש צורך בטמפרטורות נמוכות יותר.

המונחים:

בחירה חומרית הליבה היא חיונית. Ferrites עם טמפרטורה קארי גבוהה (מעל 200 מעלות צלזיוס) כגון N87, PC95, או 3C90 נפוצים. Amorphous וננוקלליין ליבות מציעים הפסדים נמוכים יותר על טמפרטורה. לשים לב להפחתה של צפיפות שפעת הרחם בטמפרטורה גבוהה.

קישור:0 (Texas Instruments App Note - בחירת מחנכים ל- Wide-Temperature DC/DC ConvertersFLT:1

טכניקות ניהול נמרץ

הסרת חום יעילה חיונית כדי לשמור על טמפרטורות צומת בתוך גבולות בטוחים תוך מתן אפשרות לפעולה בתנאים גבוהים.אסטרטגיות כוללות:

• (FLT:0) Heatsinking and Active קירור:FreaLT:1) Extruded אלומיניום תנורי, fined מחובר, ואוויר מאולץ (פנטים) הם אופייניים.עבור מודולים בעלי עוצמה גבוהה, קירור נוזלי עשוי להיות נחוץ.
• (FLT:0) חומרי ממשק רתרמי (TIMs): irFLT:1) להשתמש כריות תרמיות באיכות גבוהה, משככי כאבים, או חומרים של שינוי שלב עם התנגדות תרמית נמוכה וחיים ארוכים. גלידות גרפיטי או גרפיטי pyrolytic גרפיט (ePG) יכול להפיץ חום מאוחר יותר על פני ה- PCB.
• (FLT:0) ניהול תרמי של HDPCB:FLT:1 השתמש במטוסי נחושת עבים (2 oz או 4 oz), מספר רב של דרך תרמית (מלא או מסולף), ואזורי לשפוך נחושת גדולים.
• (FLT:0) קליטה וcapsulation: ההרחבה 1 (הציפוי) או משיכת סיליקון סיליקון מוליכים תרמי או תרכובות פוליאוריטאן מגן מפני לחות, רטט וזעזוע חום.חלק חומרים תרמיים מתפתלים גם משפרים את העברת החום למסגר.
• (FLT:0) צינורות הית' והתאים האדים: איורים 1:1 עבור עיצובים בעלי אופי גבוה, קירור פסיבי שתי נקודות יכול להעביר חום לחום מרוחק ללא אוהדים.

כלים סימבוליים (למשל, דינמיקת נוזל חישובית, ניתוח תרמי של אלמנט סופי) מומלץ בשלב העיצוב לחזות הפצה טמפרטורה לזהות נקודות חמות. Prototypes צריך להיות כלודד עם thermocouples או IR מצלמות כדי לאמת מודלים.

טכניקות עיצוב מעגליות לטמפרטורות Compensation

יש לשמור על יציבות לולאה על פני הטמפרטורה.שימוש:0type IIIigrof 1 עם מרכיבים נמוכים-TC.הימנע משימוש בציפוי אלקטרוליטיים ברשת משוב; במקום זאת, השתמש C0G או סרט capacitors. integrate a FLT:2bandgap 3FLT:3 עם סחף נמוך מאוד (למשל, 10m / C) או כותרות (ב) טוב יותר, p מעלות צלזיוס) לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת נטיבות מתכת (x/C) או חומרים נמוכים יותר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת חישה נמוכה (מתאים (מ"מ-) או יותר).

שליטה הנוכחית היא פחות רגישה לשינויים בשווי של אינדוקטור ולעתים קרובות המועדפת על עיצובים רחבים של זמן.בנוסף, יישום תדירות:0adaptive מתח דרוגיםFLT:1 או שליטה דיגיטלית (באמצעות מיקרובקר או בקר כוח דיגיטלי) יכול להתאים את ההחלפה, פעמים מת, והגדרות פיצוי המבוססות על משוב על טמפרטורות על חיישן חיצוני או על חיישן חיצוני.

אסטרטגיות אחרות של מעגלים כוללות:

• באמצעות תיקון סינכרוני כדי להפחית את הפחתת המתח קדימה לאורך הטמפרטורה.
• עיבוד תדירות (הפחתת תדירות התדירות בעומס האור) כדי למזער את אובדן המעבר בטמפרטורה גבוהה.
• בחירת טופולוגיה עם חוסן תרמי טמא: קלמפ פעיל קדימה, חצי-גשר LLC resonant, או גשר מלא מאולתר בשלב מאפשר מעבר אפס מתח, צמצום של הדור החום.
• הוספת מנעולים מתחת לטיפוח (UVLO) היסטריה כדי למנוע oscillation של סטארט-אפ בטמפרטורות קרות כאשר רוב הציפוי איטיים לטעון.

בדיקות ואימות

בדיקת אספקת חשמל של טמפרטורות רחב דורש תוכנית בדיקה מקיפה המשתרעת מעבר לאופיון פונקציונלי.

• (FLT:0) Thermal רכיבה: (1) יחידות נושא למחזורים מרובים בין 55 מעלות צלזיוס ו-125 מעלות C עם זמני מגורים מוגדרים ושיעורי רמפה (למשל, 15 מעלות צלזיוס/מין).
• (FLT:0) Burnn-in and HALT (התאמת גבוהה של בדיקות חיים): יחידות חשיפה:1FreaLT לטמפרטורות קיצוניות, רטט, ומתחי מתח כדי להדוף פגמים מאוחרים.
• (ב) בדיקת מתח:0) בדיקת מתח: 1FLT 1 מעלה את הטמפרטורה עד שלא ניתן למצוא את השולי התרמית בפועל, אשר ניתן להשתמש בהם לשיפורים.
• (ב) ,0) מדד ההימנעות האימפולסיבית: כפל 1: 1 (מדיום 1) והתנגדות תרמית צומת-טו-לא-עממית ברמות כוח שונות ותנאי זרימת אוויר.
• (FLT:0)EMI Characterization overטמפרטורה:FLT:1 הבטחת פליטות שבוצעו וקרינה פליטות להישאר בתוך גבולות בטווח הטמפרטורה, כמו שינוי ערכי רכיב מסנן.

מערכות בדיקה אוטומטיות המשלבות תא טמפרטורה, עומסים הניתנים לתוכנה, ורכישת נתונים חיוניים לאיסוף נתונים משמעותיים סטטיסטית.תוצאות עלולות לכפות עיצוב מחדש כדי להתאים את רכיבי השינוי, לשנות או לשפר את הנתיבים התרמיים.

קישור:0 (JEDEC Standard JESD22-A108 - טמפרטורה, ביסאס ומבחן החיים התפעולי (לכיוון התייחסות)

דוגמאות

חלל ו Avionics

אספקת חשמל לווינית חייבת לעמוד הן קר עמוק (-65 מעלות צלזיוס) בתקופות ליקוי חום סולארי אינטנסיבי (+125 מעלות צלזיוס) על פני משטחים של השמש.הם גם עומדים בפני קרינה, ואקום, ודרמוסיטציה. מעצבים משתמשים בכרישים קרמיקה, מעגלים היברידיים סמי-סרט עבה, וחבילות חתומות של מגנטיות אטומיות במטבול לעתים קרובות משתמשים במשמרים מרובים-phase עם בקרת קרינה-Harddc.

רכב ורכב חשמלי

מטען סוללות EV ומגירים DC-DC פועלים מתחת לגיל עם עד 105 מעלות צלזיוס וטמפרטורות צומת עד 150 מעלות צלזיוס. הדרישה להתחלה הקרה -40 מעלות צלזיוס דורש עיצוב מעגלים המבטיחים סטארט-אפ תקין ללא תנורים חיצוניים.רחב-bandgap Semiconductors (SiC ו- GaN) מאומצים יותר ויותר עבור יעילותם הגבוהה של כוח, כמו גם לשרוד עקב מחזורים מהירים של מחזורי חניה בחוץ.

שמן הדלפק התעשייתי; גז

כלים פרוסים בארות עמוקות חייבים לעבוד בטמפרטורות ממושכות 200 מעלות צלזיוס או גבוה יותר. אלקטרוניקה סטנדרטית אינם מספיקים; רכיבים מיוחדים בעלי דרג גבוה בטמפרטורה גבוהה (למשל, סיליקון-על-על-ידי מחסנים, קפקאים בטמפרטורה גבוהה ומתנגדים) נדרשים לעתים קרובות. Power Supplys להשתמש רק רגולטורים ליניאריים פשוטים או ממירים בתדר נמוך כדי להפחית את הפירוק הזעם.

(ב) [13] ,0 ⁇ ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מגמות מתפתחות ב-High-Temperature Power Supplies

(הלחץ על יעילות גבוהה יותר וגודל קטן יותר הוא אימוץ של FLT:0 מוליכים למחצה פסגהפוחיות למחצה (GaN, SiC) מכשירים אלה פועלים באופן אמין בטמפרטורות צומת של 175 מעלות צלזיוס-225 מעלות צלזיוס, צמצום הצורך בקריירה כבדה ומאפשרת החלפת תדרי מעבר גבוהים יותר.

אריזה מתקדמת, כגון:0 (DBC) substratesveFLT:1 ו-FLT:2hermetic powerמודולsFLT 3, מפחית התנגדות תרמית ומשפרת אמינות בסביבות קשות. 3D-printed תנורי חום עם גיאומטריה אופטית מותאם אישית יכול להפיק יותר חום מ כרכים קטנים.

מקור:0;0) Vicor White Paper - Power in Harsh Environments

מסקנה

תכנון אספקת חשמל עבור מגוון רחב של פעילות גופנית דורש גישה הוליסטית כי זוגות זהירה בחירה רכיב, ניהול תרמי, פיצוי מעגל, בדיקות קפדניות. על ידי הבנה של התנהגות חומרית, אפקטים תרמיים, וצרכים ספציפיים יישומים, מהנדסים יכולים ליצור פתרונות אמינים עבור הסביבות התובעניות ביותר. כמו טכנולוגיה מתקדמת עם מוליכים למחצה רחב פסגהפ שליטה דיגיטלית, הגבולות של כוח אמין להמשיך להרחיב - החל יישומים חדשים בחלל, מערכות רכב תעשייתיות.