Switching Power Supply Reliability에 대한 온도 변이의 효과

전환 전력 공급 및 열 감도의 기초

스위치 전원 공급 장치는 현대 전자에서 유해합니다, 높은 효율성을 가진 AC 또는 DC 근원에서 통제되는 DC 힘을 전달하십시오. 선형 규칙과는 달리, 엇바꾸기 공급은 고주파 엇바꾸기 성분 (일반적으로 MOSFET)를 이용하고 자석 변압기는 전압을 위로 또는 아래로 단계로 생성합니다. 이 엇바꾸기 과정은 열을 부산물로 생성하고, 온도 상승이 더 열을 더 생성하는 자기 강화 주기를 창조합니다. 온도 상승은 온도 상승이 더 열을 생성하는 것은 온도 상승을 증가하는 것을 열을 창조합니다. 그러므로 연결은 온도를 위해, 또는 힘의 밑에 통제하는 힘이 통제하는 힘으로, 통제됩니다.

열 응력은 전환 전력 공급에 있는 조기 실패의 주요한 원인의 한개입니다. 산업 신청에서 분야 자료는 작동 온도에 있는 10 °C 상승이 특정 성분, 특히 전해질 축전기의 예상한 일생을 할 수 있다는 것을 보여줍니다. 이 감도는 내부 물자 및 junctions 나이가 급속하게 높은 온도에, 및 급속한 온도 변화가 기계적인 긴장을 유도하기 때문에 일어나기 때문에 일어나기 때문에 일어납니다.

온도 변이가 어떻게 민감하는지

온도 변화 충격 엇바꾸기 전력 공급은 몇몇 명백한 기계장치를 통해서. 각 기계장치 표적 특정한 성분은 그라디얼적인 degradation와 갑작스러운 catastrophic 실패 둘 다에 지도할 수 있습니다.

Electrolytic 축전기에 충격

알루미늄 전해질 축전기는 엇바꾸기 전력 공급에 있는 대부분의 온도 과민한 성분 중 입니다. 그들의 전해질은 천천히 시간을 증발하고, 열에 의해 가속된 과정. 85 °C에, 전형적인 축전기는 2,000 시간의 정격 일생이 있을지도 모릅니다; 65 °C에, 동일한 축전기는 10,000 시간 또는 더 많은 것을 지속할지도 모릅니다. 관계는 Arrhenius law를, 반대로 전기 손실의 증가하는 전기 손실에 대하여 10배 증가하는 전기 손실에, 이 손실에 대하여 증가합니다.

저온 가동은 또한 축전기를 스트레스를 줍니다. 아주 저온에서, 전해질 점성 증가, ESR를 올리고 수용량을 감소시키십시오. 공급이 −40 °C에 시작해야 하는 경우에, 돌진 현재는 그것을 데우는 기회를 갖기 전에 축전기를 손상할 수 있습니다.

Power Semiconductor에 대한 영향

전환 단계의 MOSFETs 및 다이오드는 접합 온도에 의해 직접 영향을받습니다. MOSFET의 on-resistance (] R] _DS(on)]]])는 온도가 증가하여 일반적으로 °C 당 약 0.5 % 증가합니다. 더 높은 R] _{] _]]]]]]]}]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][FLT:[FLT:]]]]][FLT:]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

열 순환 - 냉간 및 뜨거운 상태 사이의 반복 된 전사 - 실리콘 다이와 패키지 리드 사이의 차폐 팽창을 유발합니다. 수천 개의 사이클을 통해, 이것은 땜납 관절 또는 다이 부착 재료의 탈락을 생산할 수 있으며, 간헐적인 작동 또는 개방 회로에 이르는 것입니다. 자동차 전원 공급 장치, 엔진 베이 열에서 겨울 감기에 넓은 온도 스윙을 경험하는 것은 특히 취약합니다.

자기 부품에 충격

변압기와 유도자는 온도를 가진 자석 재산이 변화하는 알파철 핵심에 의존합니다. 높은 온도에, 핵심 손실 (hysteresis와 eddy 현재) 증가, 및 포화 유출 조밀도 하락. 25 °C에서 일반적으로 작동하는 변압기는 높은 선 전압 및 고열에 포화할지도 모르다, 엇바꾸기 트랜지스터 및 잠재적으로 파괴하는 큰 현재 스파이크를 일으키는 원인이 될지도 모릅니다. 열 노후화는 또한 바람이 끊기, 짧은 위험의 증가에 절연제를 degrades.

신뢰도: 온도와 일생 모형

엔지니어는 전력 공급 일생에 온도의 효력을 예측하기 위하여 몇몇 empirical 모형을 이용합니다. 가장 일반적인 것은 Arrhenius 모형 , 온도의 exponential 기능으로 실패 비율을 표현하는:

λ(T) = A × exp(−E_]a / (k × T))]]

λ는 실패율 인 A는 사전 넓이 요인입니다. E_]a]는 활성화 에너지 (전해질 축전기를 위한 전형적으로 0.7–1.0 eV)이며, k는 Boltzmann의 일정이며 T는 절대 온도입니다. 이 모델은 많은 디빙 가이드라인을 내리고 MIL-HD217 및 Tel. 332-332-332-332-332-332와 같은 표준에 사용됩니다.

열 순환으로 인한 기계적 피로를 위해 Coffin‐Manson 방정식]는 순환 온도 범위에 실패하는 주기의 수를 재화합니다.

N_f]]=C ×(ΔT)^]−m]]]

여기서 N]_]f]는 실패에 주기의 수, ΔT는 온도 스윙이며, m는 일반적으로 1.5과 3 사이의 납땜 관절. 이 모델은 설계자가 현장 신뢰성과 설정 자격 시험 요구 사항을 견적 할 수 있습니다.

외부 링크: 신뢰성 공학의 Arrhenius 방정식에 대한 자세한 내용은 Reliability HotWire: Arrhenius Model를 참조하십시오.

향상된 열 신뢰성을 위한 설계 전략

온도 응력의 신뢰성 향상은 다중 얼굴 접근을 통해 구성 요소 선택, 회로 topology, 열 관리 및 기계 설계를 필요로 합니다.

열 관리 기술

온도 효과를 완화하는 가장 직접 방법은 열을 효율적으로 제거하는 것입니다. 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

열 싱크 - 전력 부품에 부착 된 Finned 알루미늄 또는 구리 열 싱크는 접합 냉각의 표면 영역을 증가시킵니다. 그들의 효과는 적절한 열 인터페이스 재료 (TIM) 및 공기 흐름에 따라 다릅니다.
Forced air cooling - 팬 또는 송풍기는 극적으로 공황 열전달을 개량합니다. 그러나, 팬 신뢰성 자체는 관심사가 됩니다; 과다한 팬 또는 똑똑한 속도 제어는 도울 수 있습니다.
액체 냉각 - 고출력 산업 및 통신 공급에 사용. 순환 냉각제를 가진 찬 판은 다수 성분에서 열을 제거할 수 있습니다, 더 높은 힘 조밀도를 가능하게 합니다.
Potting and encapsulation - 열 전도성 에폭시 또는 실리콘은 구성 요소 주위에 공을 채우고, 뜨거운 반점을 감소시키고 울안에 열 퍼짐을 개량합니다.
열관 및 증기 챔버 - 두 개의 상 장치가 매우 낮은 열저항으로 열을 수송하는 것은, 원격 열 싱크에 집중하는 열에 유용합니다.

구성요소 선택 및 Derating

넓은 온도 등급을 가진 구성 요소는 중요합니다. 전해질 축전기를 위해, 105 °C 또는 125 °C를 사용하여 예상한 주위가 더 낮을 경우도 등급을 매깁니다; 극적으로 수명을 연장하십시오. 낮은 R] _]DS(에)]를 선택하고, 정션 온도를 보장하십시오 80 %의 Ferrites를 초과하지 않는 빈도를 초과하십시오. 가장 낮은 주파수에서 측정 범위는 최대의 주파수에서 최대의 주파수를 초과해야 합니다.

업계 표준 (예 : IPC ‐9592, JEDEC JESD74)의 가이드라인을 설명하는 것은 전압, 전류 및 전력 등급에 0.5 ~ 0.8의 안전 계수를 적용하는 것이 좋습니다. 주변 온도에 조정되는 승압기와 더불어. 예를 들어, 100 V에 정격 용량은 85 °C에서 80 V 이상에 노출되지 않아야합니다.

외부 링크:] Military Aerospace Electronics: Component Derating for Power Supplies]에서 실제 디스팅 가이드를 사용할 수 있습니다.

배치 및 기계적 고려

인쇄 회로 기판 배치는 열 성능에 크게 영향을줍니다. 보드의 가장자리 또는 큰 구리 붓기 근처에 높은 열 구성 요소를 배치하십시오. 열을 사용하여 열을 내면 비행기로 전송하십시오. 뜨거운 부품을 클러스터링하지 마십시오. 대신 현지 온도 상승을 줄이기 위해 배포하십시오. ‐ 홀 구성품을 통해 열팽창 중에 응력을 최소화하기 위해 적절한 솔더 필렛 형성을 보장합니다.

높은 신뢰성 디자인에서, 열 확산기로 두 배 알루미늄 ‐ 포일 근거한 물자로 만드는 열 패드를 사용하는 고려하십시오. 또한, 자연적인 대류 공기 경로를 허용하는 울안을 디자인합니다 — 공기 흡입을 위한 밑바닥 통풍구 및 배출을 위한 최고 통풍.

시험 및 검증 방법

가장의 양이 실제 열 테스트를 대체 할 수 없습니다. 주요 자격 시험은 다음과 같습니다.

열간 사이클 - 고저온도(예: −40 °C ~ +85 °C)의 500~1000 사이클을 사용하여 납땜 관절 피로와 캡슐화 무결성을 평가합니다.
고온 작동 수명(HTOL) - 최대 정격 주위 온도 (예를들면 70 °C, 산업용 105 °C)에 공급을 실행하는 동안 수천 시간 동안의 전체 부하에서 출력 매개 변수를 모니터링합니다.
열간 이미징 - 적외선 카메라를 사용하여 모든 구성품이 지정된 온도 제한 내에서 남아 있는지 확인하고 확인하십시오.
Accelerated Life testing (ALT) - 강제 실패에 고온도 및 전압 적용, 다음 Arrhenius 모델을 사용하여 정상 조건 하에서 예상 수명을 초과.

외부 링크: 전력 공급 신뢰성 테스트 표준의 상세한 개요를 위해 IEEE 1624-2008: DC 및 AC 전원 공급 신뢰성 표준을 참조합니다.