スイッチング電源と熱感度の基礎

スイッチング電源は、ACまたはDCソースから調整されたDC電源を高効率で提供し、現代の電子機器でユビキタスです。 リニアレギュレータとは異なり、スイッチングサプライは高周波スイッチングエレメント(典型的にMOSFET)と、段取りまたはダウンする磁気トランスを使用します。 このスイッチングプロセスは、温度上昇がコンポーネントの損失を増加させる、バイプロダクターとして熱を生成し、温度上昇が増加するコンポーネントの損失を増加させる、これにより、より多くの熱が発生します。 したがって、リンクの下で、誰が温度と必要なシステムが、誰に必要とするか、必要なシステムが設定するかどうかを検証します。

熱応力は、電源を切る際に早期の故障の原因の1つです。産業用途のフィールドデータは、動作温度が10 °C上昇すると、特定のコンポーネントの予想される寿命を、特に電解コンデンサを半減させることができることを示しています。この感度は、内部材料と接合部が高温でより速く上昇し、機械的緊張を誘発する原因です。

温度変化の欠陥の信頼性

温度変化は、いくつかの異なるメカニズムを介して電源を切り替える衝撃を与えます。各メカニズムは、特定のコンポーネントをターゲットとし、グラデーション劣化と突然の壊滅的な故障につながることができます。

電解コンデンサへの影響

アルミ電解コンデンサは、スイッチング電源における最も温度感度の高いコンポーネントです。 電解液は、ゆっくりと蒸発し、プロセスは熱によって急激に加速します。 典型的なコンデンサーは、2,000時間の定格寿命を有することがあります。 65 °Cでは、同じコンデンサは10,000時間以上持続する可能性があります。 関係は、 ]] を、 10 °C が、ほぼ同じ圧力が上昇し、 圧力が上昇し、 圧力が上昇する、 圧力が上昇する、 圧力が上昇する、 圧力が上昇する、 圧力が増加します。

低温操作もコンデンサーを強調します。非常に低温で、電解粘度が増加し、ESRを上げ、静電容量を削減します。供給が-40°Cで開始する必要がある場合は、侵入電流は、ウォームアップするチャンスを持っている前に、コンデンサを損傷させることができます。

パワー半導体への影響

スイッチングステージのMOSFETとダイオードは、直接接合温度の影響を受けます。 オン抵抗([]])]RDS(on))))は、通常、温度上昇で増加します。 ]R[][FLT][FLT][FLT][FLT]][FLT]]を上昇させると、熱伝導率が上昇します。 上昇すると、熱が上昇します。

熱循環 — 寒さと熱状態の繰り返しの遠足 — シリコンダイとパッケージリード間の差分拡張を引き起こします。 数千サイクル以上、これは、断続的な操作や開回路につながるダイアタッチ材料のはんだ接合や剥離に亀裂を生成できます。 自動車用電源、エンジンベイの熱から冬にかけて広い温度のスイングを経験し、特に脆弱です。

磁気部品への影響

トランスとインダクタは、温度で磁気特性がシフトするフェライトコアに依存しています。高温、コアロス(ヒステリシスおよび渦電流)の増加、および飽和フラックス密度低下。 25 °Cで正常に動作するトランスは、高線電圧と高温で飽和し、スイッチングトランジスタを強調し、潜在的に破壊する大きな電流スイケを引き起こします。 サーマルエイジングは、風に断熱を低下させるだけでなく、リスクが増加します。

信頼性の定量化:温度と寿命モデル

エンジニアは、電源寿命の温度の影響を予測するために、いくつかの帝国モデルを使用します。最も一般的なのは、温度の指数関数として故障率を表現する「」です。

λ(T) = A × exp(-E]a]]] / (k × T)

λが故障率であるところ、Aは前回比例因子である]E]aは、活性化エネルギー(典型的に0.7〜1.0 eVのための電解コンデンサ)であり、kはボルツマンの定数であり、Tは絶対温度である。このモデルは、MIL-HD-BK-XL-17およびSR33-SR33などの基準で多くの決定ガイドラインの下で使用され、

熱循環による機械的疲労のために、]棺-マンソン方程式は循環温度範囲に失敗するサイクルの数を関連付けます:

Nf[]] = C×(ΔT:3]]]] -

N]]fは、故障するサイクルの数で、ΔTは温度スイングであり、mははははんだジョイントの1.5〜3の間では普通です。 これらのモデルは、デザイナーがフィールドの信頼性を推定し、認定試験要件を設定することができます。

[外部リンク:[]]]] 信頼性エンジニアリングのアレニアス方程式の詳細は[]を参照してください。 信頼性ホットワイヤー:アレルニアスモデル。

改善された熱信頼性のための設計戦略

温度ストレスの信頼性向上には、コンポーネントの選択、回路トポロジー、熱管理、機械設計に多面的なアプローチが必要です。

熱管理技術

温度効果を緩和するための最も直接的な方法は、効率的に熱を除去することです。 一般的な方法は次のとおりです。

  • パッシブヒートシンク — 電源コンポーネントに取り付けられたフィンドアルミまたは銅ヒートシンクは、対流冷却のための表面面積を増加させます。 それらの有効性は、適切な熱インタフェース材料(TIM)と空気の流れに依存します。
  • 強制空冷] — ファンや送風機は、対流熱伝達を劇的に改善します。 しかし、ファンの信頼性自体は懸念になります。 冗長ファンやスマート速度制御は助けることができます。
  • 液冷] - 高電力産業および電気通信の供給で使用される。 循環冷却剤が付いている冷蔵プレートは、複数のコンポーネントから熱を除去することができ、より高い電力密度を有効にします。
  • []ポッティングとカプセル封入 — 熱伝導性エポキシやシリコーンは、コンポーネントの周りの隙間を埋め、ホットスポットを減らし、エンクロージャに熱スプレッドを向上します。
  • []ヒートパイプと蒸気チャンバー[ - 熱を非常に低い熱抵抗で運ぶ2相装置、リモートヒートシンクに熱を集中するのに便利です。

コンポーネントの選択と評価

広い温度評価のコンポーネントを選択することは重要です。 電解コンデンサでは、想定される周囲が低い場合でも、105 °Cまたは125 °C定格部品を使用します。 余分なマージンは命を劇的に拡張します。 低[]RDS(オン)]を高温で選択し、接合温度が最大定格温度の80 %を超過しないことを確実にします。 定格温度下でフェライトの損失と動作するフェライトの低速で、または低速の動作温度が期待される必要があります。

業界標準のガイドライン(例、IPC‐9592、JEDEC JESD74)は、周囲温度の調整された有望な乗数式で0.5〜0.8の安全係数を適用することを推奨します。例えば、100 Vで評価されるコンデンサーは、85 °Cで80 V以上にさらされるべきではありません。

外部リンク:]]]から実用的な遅延ガイドが利用できます[]:軍事航空宇宙電子:電源のためのコンポーネントの降下。

レイアウトと機械的考察

プリント基板レイアウトは、熱性能に大きく影響します。基板の端や大きな銅の注ぐ端の近くで、高熱成分を配置します。熱を内面に転送するために、熱ビアを使用してください。ホット部品をクラスターすることを避け、代わりに、それらを配布して、局所温度上昇を削減します。スルーホールコンポーネントは、適切なはんだフィレ形成を保証し、熱膨張時のストレスを最小限に抑えます。

高信頼性設計では、熱拡散器として2倍のアルミニウム-ホイル-ベースの材料から成っている熱パッドを使用して検討して下さい。また、エンクロージャを設計して自然な対流の空気道を許可します-冷気の取入口のための最下の出口および排気のための上の出口。

試験・検証方法

シミュレーションの量は実際の熱テストを取り替えることができます。主要な資格試験は下記のものを含んでいます:

  • 熱循環] — はんだ関節の疲労とカプセル化の完全性を評価するために500〜1000サイクルの高温(例えば、-40°C〜+ 85 °C)間で調整します。
  • []高温動作寿命(HTOL)[ — 出力パラメータを監視しながら、最大定格周囲温度(例えば、商業用70°C、産業用105 °C)で供給を実行します。
  • [熱間画像] —赤外線カメラを使用して、ホットスポットを特定し、すべてのコンポーネントが指定された温度制限の範囲内で残っていることを確認します。
  • []加速寿命試験(ALT)[ — 高温および電圧を強制障害に適用する、そして通常の条件下で予想される寿命を延ばすためにArrheniusモデルを使用して。

外部リンク:]]] 電源信頼性試験規格の詳細な概要については、[を参照してください。]IEEE 1624-2008:DCおよびAC電源信頼性の基準]を参照してください。

コンテンツ

温度変化は、電源の信頼性を切り替える最大の脅威の1つです。加速されたコンデンサー老化から、半導体の熱的暴走、はんだ接合における疲労まで、効果は侵襲的であり、しばしば関連性があります。基礎的な物理的なメカニズムを理解し、適切な冷却、コンポーネントの劣化、徹底的なテストなどの堅牢な設計慣性を採用することで、エンジニアは過酷な環境での作業の長年にわたる一貫した性能を提供する電源を構築することができます。

今後、ワイドバンドギャップ半導体(シリコンカーバイドおよびガリウム窒化物)の採用は、ここで説明する熱課題の多くを緩和するより高い動作温度と損失を約束します。 温度を管理するためにリアルタイムでスイッチング周波数とデューティサイクルを調整できる高度なデジタル制御と組み合わせることで、次世代の電源はこれまで以上に弾力性が増します。 それにもかかわらず、熱管理の基本的な原則は、将来の予測可能な電力供給設計に集中的にとどまります。