Wide-Temperature Power Supply Design
Modern endüstriyel, otomotiv ve havacılık sistemleri, enerji tedariki için güvenli bir şekilde işlev gösteren güç malzemeleri talep ediyor, yüksek çözünürlükte ısınıyor - 55 °C veya daha geniş bir şekilde tüketici elektroniklerinden farklı olarak, enerji tedarikinin tüm koşullar altında güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamak için geçerli.
Geniş sıcaklık güç malzemeleri aviyoniklerde, uydu otobüslerinde, elektrikli araç (EV) güç antrenmanlarında, batarya yönetim sistemleri, endüstriyel motor sürücüleri, alt delik yağı veamp; gaz araçları ve askeri iletişim ekipmanları. Bu bağlamda bir güç tedarik başarısızlığının sonuçları felaket güvenlik tehlikelerine kadar. Bu nedenle, bir disipline, sistem düzeyindeki yaklaşım, son üretim testleriyle en erken mimari kararlarından gereklidir.
Operasyonel Gereksinimleri Anlamak
Mekanikleri veya devreleri seçmeden önce, tam sıcaklık aralığı tanımlanmalıdır. Ortak standartlar MIL-STD-704 ve DO-160 for havacılık (often –55°C +125°C) için, AEC-Q100 for otomotiv (--40C to +85°C veya +105°C) ısıtımı için olmalıdır ve IEC 60068 for Industrial ekipman (-25°C - +5C) için.
Deing, yüksek sıcaklıklarda en yüksek sıcaklıklarına göre mutlak maksimum puanlarının altında işletim bileşenleri içerir. Örneğin, 150 °C kavim ısısı için derecelendirilmiş bir belge sadece 125°C’den fazla ısınamaz, yüksek hava koşullarındaki ısı veya basınç etkileri (bu efekt konvektifler) ile yüksek sıcaklıklarda yüksek ısıtılmalıdır.
Geniş-Temperyature Power Supply Design
Parametre Drift
Sıcaklık değişiklikleri pasif ve aktif bileşen değerlerinin değişmesine neden olur. 50-500 ppm/°C'nin lensleri ve mevcut algı ağlarını değiştirebilir, aynı aralıkta% 0,6'lık kapasitede artış gösterir.
Termal Stres ve Lisans Şergue
Tekrarlanan genişleme ve dissimilar (örneğin, silikon ölü, satılan ortaklar, bakır leadframes, kalıp bileşik) çatlaklara neden olabilecek mekanik stres yaratır, bu riski azaltır veya ısı telleri ısıtılır.
Başlangıç ve Low-Temperature Davranış
Çok düşük sıcaklıklarda (--40C -55°C), güç tedariki başlangıç-up sorunlu hale gelir. Elektrolitik kapasitörler, yüksek çözünürlükte şarjları önlemek için, mevcut yüksek çözünürlükte (UVLO) eşiğinin düşmesine neden olabilir.
Yüksek hacimli Soğutma Sınırları
Yüksek Orta ortamlarda, sınırlı termal kafa odası ısıyı bozma yeteneği azaltır. Junction sıcaklıklar mutlak sınırların altında kalmalıdır. Manyetikleri azaltmak için frekansları artırmak ve MOSFET'lerde kayıpları artırmak (R) ısıtmak için daha iyi bir TC'ye sahiptir.
Bitirme Seçme Stratejileri
Capacitors
DÖRT:0)Ceramik kapasitörler[[Dönetici:% 15) geniş sıcaklık uygulamaları için tercih edilir ve C0G /NP0 (±0.3) .
Link:FL:0)TDK Uygulama Notu - Seramik Capacitor Selection).
Direnciler
<0}Din-film direnişçiler[[Dönetici:0] ve TC ile düşük sıcaklık yoğunluğu nedeniyle düşük olan değeri değiştirebilirler ve mevcut anlamlılık ağları için.En kısa film direnişleri dikkate alın: 125°C'de 1 W için yüksek oranda puan veya 70.000C'ye kadar değer verebilir.
Yarı iletkenler
MOSFET'leri ve diyotları genişletilmiş sıcaklık derecelendirmeleriyle (örneğin, -55°C'yi +175°C T)J) Silikonlu (SiC) MOSFET ve Schottky diyotları, yüksek sıcaklık enerji malzemeleriyle daha fazla kullanılır, çünkü düşük sıcaklıklara kadar düşük tutarlar, düşük sıcaklıklara kadar hassas ısıtılabilir sızıntı ile yüksek ısıtılır.
Manyetik Bileşenler
Core material choice are important. Ferrites with high Curie temperature (above 200°C) such N87, PC95, or 3C90 yaygındır. Amorphous and nanokristalli çekirdekler, yüksek sıcaklıkta flux yoğunluk azaltma dikkati sunar.
Link:FLT:0)Texas Instruments App Not - Geniş ekran DC / ekranları için İndüktörler Seç).
Termal Yönetim Teknikleri
Etkili ısı kaldırılması, yüksek çevre koşullarında operasyona izin verirken, bağlanma sıcaklıklarını güvenli sınırlar içinde tutmak önemlidir. Strategies şunları içerir:
- [FONT:0)Heatsinking ve aktif soğutma: Extruded alüminyum ısısinks, tahvilli fins ve zorla hava (fans) tipik. yüksek güç modülleri için sıvı soğutma gerekli olabilir.
- [FONT:0) ⁇ arayüz materyalleri (TIMs): ), yüksek kaliteli termal pedler, yağlar veya düşük termal direnç ve uzun yaşam ile faz değiştirme malzemeleri. Graphite çarşafları veya pirolytic grafiği (ePG) daha sonra PCB'de ısıyı yayabilir.
- [FONT:0)PCB termal yönetimi: [DDD 1) Sağlam bakır uçakları kullanın (2 oz veya 4 oz), birden fazla termal vias ( doldurulmuş veya plakalı), ve büyük bakır dökme alanları.
- [FONT:0)Potting and encapsulation: Conformal kaplama veya ısıtıcı silikon veya poliurethane bileşikleri nem, vibrasyon ve ısı şokuna karşı korur. Bazı termal olarak iletken metaller de muhafaza için ısı transferlerini geliştirir.
- [FONT:0]Heat boruları ve buhar odaları: [DÜT:1] Yüksek kaliteli tasarımlar için, pasif iki fazlı soğutma fanlar olmadan uzak ısıtabilir.
Simülasyon araçları (örneğin, hesaplama sıvı dinamikleri, sonlu element termal analiz) sıcaklık dağılımını tahmin etmek ve noktaları tanımlamak için tasarım aşamasında erken önerilir. Prototipler termo çiftleri veya IR kameraları ile modeller onaylanmalıdır.
Sıcaklık Dengesi için Devre Tasarımı Teknikleri
Kontrol döngüsü stabilitesi sıcaklık boyunca muhafaza edilmelidir.UseENFLT:0)type III tazminat[DKT:1), düşük enerjili bileşenlerle (örneğin, 10 ppm/°C veya daha iyi) gerilim referansı olarak, C0G veya film kapasitörler kullanın.Ing, metal film, ±5 ppm /°C) veya anlamlı transformatörler çok düşük kayma ile direnç gösterebilirler.
Mevcut mod kontrolü, inductor değerindeki değişiklikler için daha az hassastır ve genellikle geniş sıcaklık tasarımları için tercih edilir. Ek olarak, uygulama:0) Adaptasyonlu gerilim ölçeklendirmesi[Dönetici 1 veya dijital kontrol ( mikro kontrol cihazı veya dijital güç kontrol cihazı) geçiş frekansı, ölü zamanlarda ve şarj ayarları bir aşırı sıcaklık geri bildirimine dayalı olarak, özellikle de yüksek performanslı sistemler için faydalıdır.
Diğer devre stratejileri şunları içerir:
- İleri gerilim düşüş varyasyonunu sıcaklık boyunca azaltmak için senkronizasyonu kullanarak.
- Frekans katlavalarını korumak (kökesel yükte frekans değiştirmek) yüksek sıcaklıktaki kayıpları en aza indirmek için.
- Doğal ısı direnci ile bir topoloji seçin: aktif bir fikre, yarı-bridge LLC rezonansa veya faz-dönüşümlü tam köprü sıfır-sürücü geçişe izin verir, ısı jenerasyonunu azaltır.
- Düşük kapasiteliler şarj etmek için soğuk sıcaklıklarda başlangıç salınımını önlemek için alt projeksiyon kilitlenme (UVLO) histerileri ekleyin.
Test ve Geçerlilik
Geniş sıcaklık güç tedarikinin belirlenmesi, fonksiyonel karakterizasyonun ötesine geçen kapsamlı bir test planı gerektirir: Önerilen testler şunları içerir:
- [FONT:0] ⁇ Bisiklet: [Dönetici: [Dönler arası çeşitli döngülere tabi ki –55°C ve +125°C, belirli zamanlarda ve rampa oranları ile (örneğin, 15°C/min) Monitor çıktı gerilimi, dalga, verimlilik ve aşırı dalgaformları geçmek.
- [FONT:0)Burn-in ve HALT (Yüksek derecede Acelerated Life Test): ), Expose birimlerinin aşırı sıcaklıklara, vibrasyona ve gerilim gecikme kusurlarına dikkat etmesi.
- [FONT:0)Adım stres testi:[Dönetici:0) Sürekli olarak, gerçek termal marjı bulmama kadar sıcaklık artışı sağlar, bu da iyileştirmeler için kullanılabilir.
- [FONT:0] ⁇ dürtüsel ölçüm:[Dönetici:[Dönder:) Önlemler ve kavim-to-var termal direniş çeşitli güç seviyelerinde ve hava akış koşullarında.
- [FONT:0)I karakterizasyon over temperature:[Dönemli emisyonlar sıcaklık aralığında sınırları içinde kalır ve filtre bileşeni değerleri değişir.
Bir sıcaklık odası, programlanabilir yükler ve veri satın alma sistemleri istatistiksel olarak önemli verileri toplamak için gereklidir. Sonuçlar, ısı yollarını ayarlamak veya geliştirmek için yeniden tasarlayabilir.
Link:D:0)JEDEC Standart JESD22-A108 - Sıcaklık, Bias ve İşletim Yaşam Testi (önemli)).
Uygulama Örnekleri
Havacılık ve Uzay
Uydu güç malzemeleri hem derin soğuk (-65°C) tutulması dönemleri ve güneş ısısı (+125°C) güneş ışığından yüzeylere karşı yoğun güneş ısıtılması gerekir. Ayrıca, teleskoplu ve vizatörlerin kullanımı seramik kapasitörler, kalın film hibrit devreleri ve onun demetronik olarak mühürlenen paketler.
Otomotiv ve Elektrikli Araçlar
EV batarya şarj cihazı ve DC-DC dönüştürücüler, 105°C'ye kadar çevrede kalmakta ve yüksek sıcaklık verimliliği nedeniyle 150 °C'ye kadar ısıtılmalıdır. -40C, dış ısıtıcılar olmadan doğru başlangıç sağlayan devre tasarımı talep etmektedir. Wide-bandgap yarı iletkenleri (SiC ve GaN) giderek daha fazla kabul edilir.
Endüstriyel Down dem Yağ veamp; Gaz
Derin iyilerde kullanılan araçlar, 200 °C veya daha yüksek olan çevre sıcaklıklarında çalışmalıdır. Standart elektronikler yetersizdir; özel yüksek sıcaklıklı yüksek sıcaklıklı RTV aşırı basınç ve dirençlere sahip olmak için yüksek sıcaklık taşıyıcıları ve dirençleri gerekir.
[FONT:0])Key bilgi: ) “ Geniş sıcaklık uygulaması için en güvenilir güç tedariki gerçek görev profiline tasarlanıp test edilen, genel olarak en yüksek derecelendirmeye göre değil, her bir bileşen, en yüksek sıcaklık aralığı ile düşünülmelidir ve ısı yönetimi en sonunda doğrulanmalıdır. - AIAA standartlarından sistem mühendisliği uygulaması.
Geniş-Temperyatür Güçlerindeki Trendleri Gelişen
Daha yüksek verimlilik ve daha küçük boyut için itme, ağır soğutma ve değiştirilebilir frekanslar için ihtiyaçtır. ancak, kapı sürücüsü tasarımı aşırı yüklemeyi önlemek için daha kritik hale gelir (GaN, SiC). Bu cihazlar 175°C-225°C, yüksek ısı geçişi için ihtiyaçtır.
Gelişmiş ambalajlar, örneğin, [[0)yönemli bakır (DBC) substratlar ) ve [[DFLT:2) Katı ortamlardaki ısı direnci azaltır ve güvenilirliğini azaltır. 3D-printed ısısinks küçük hacimlerden daha fazla ısı çıkarabilir. Son olarak, makine öğrenimi modelleri termal davranışı tahmin etmek ve bileşen yerleştirme ve ısıtımı optimize etmek için kullanılır.
Link:FLT:0)Vicor White Paper – Harsh Ortalarında Güç[Dönem: 1)
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Geniş sıcaklık işletim aralıkları için güç malzemeleri tasarlayın, çiftlerin dikkatli bir şekilde seçme, termal yönetim, devre tazminatı ve titiz testlerin, malzeme davranışını, termal bisiklet etkilerini ve uygulama özellikle ihtiyaçlarını anlamak için, mühendisler en talep edilen ortamlar için güvenilir çözümler oluşturabilir. Teknoloji yarı iletkenleri ve akıllı dijital kontrol ile ilerledikçe, güvenilir güç teslimatlarını ve endüstriyel sistemlerdeki uygulamaları genişletmeye devam eder - uzay, otomotiv ve endüstriyel sistemlerdeki yeni uygulamaları anlamayı sağlar.