Основи комутації енергопостачань та тепловідчуттості

Перемикання живлення є вугілом в сучасних електронних пристроях, що забезпечує регульовану потужність постійного струму від джерела змінного струму або постійного струму з високою ефективністю. На відміну від лінійних регуляторів, комутації подає перевагу використання високочастотного елемента перемикання (типово MOSFET) і магнітного трансформатора для крокової напруги вгору або вниз. Цей процес перемикання генерує тепло як побічний продукт, створюючи самореагуючий цикл, де температура підвищує втрати компонентів, які в свою чергу генерує більше тепла. Розуміння посилання між температурою і надійністю є настільки важливим для будь-якого проектування, позначення або підтримки систем перетворення живлення.

Теплова напруга є однією з провідних причин передчасної недостатності в розподільчих джерелах живлення. Сфера даних від промислових додатків показує, що 10 °C підвищення температури в операційній температурі може зануритися очікуваний термін служби певних компонентів, зокрема електролітичних конденсаторів. Ця чутливість виникає тому, що внутрішні матеріали і з'єднання швидше в підвищених температурах, а тому що швидке перепади температури вводять механічний штам.

Яка температура змінювань Відповідна надійність

Пристрій змінного струму, що переходить на джерело живлення через кілька різних механізмів. Кожен механізм встановлює певні компоненти і може призвести до поступового деградації і раптової катастрофічної недостатності.

Вплив на електролітичні конденсатори

Електролітичні конденсатори алюмінієві є одним з найбільш ємнісних компонентів температури в джерела живлення. Їх електроліт повільно випаровується з часом, процес, що регулюється нагрівом. При 85 °C типовий конденсатор може мати номінальний термін служби 2000 годин; при 65 ° C, що і той же конденсатор може тривати 10000 годин або більше. Зв'язки випливає з Закон Аренгенія], де 10 °C підвищиться приблизно вдвічі частота реакції електролітів. Як електролітне висихання, конденсація знижується і еквівалентна частота струму (ESRppleage)

Низькотемпературна операція також впливає на конденсатори. При дуже холодних температурах електролітна в'язкість підвищується, підвищуючи ЕСР і зменшуючи конденсацію. Якщо подача повинна початися при −40 ° С, струм ворсу може пошкодити конденсатор перед тим як вона має шанс нагріти.

Вплив на потужність напівпровідників

MOSFETs і діоди в стадії перемикання безпосередньо впливають на температуру з'єднання. Настій (R]DS(on)]) MOSFET збільшує температуру, як правило, приблизно на 0,5 % за °C. Вища R]DS(on)]]]]] СНІД (на) веде до більших втрат проводів, які підвищують температуру з'єднання, створюючи тепловий ризик, якщо теплова напруга перекривається.

Теплова вело — багаторазові екскурсії між холодними і гарячими станами — викликає диференціальне розширення між кремнієвою гиптою і пакетом ведеться. За тисячі циклів це може виробляти тріщини в паяльному суглобах або розшарування гинуть прикріплені матеріал, що веде до міжвідомої роботи або відкритої схеми. Автомобільні джерела живлення, які відчувають широкі температурні гойдалки від двигуна бай тепла до зимового холоду, особливо вразливі.

Вплив на магнітні компоненти

Трансформатори і індуктори спираються на феритові ядери, магнітні властивості зміщуються з температурою. При підвищених температурах, серцевих втратах (гістерез і струмом вмирання) збільшення, а щільність насиченості крапель. Трансформатор, який працює зазвичай при 25 ° С може наситити при високій лінійній напрузі і високій температурі, що викликає великі струмові походи, які наголошують перемикачі перетворювача і потенційно знищують його. Теплові старіння також розширюють утеплювач на вітрильних, підвищуючи ризик скорочених обертань.

Кількісне забезпечення: Моделі температури та життя

Інженери використовують кілька емпіричних моделей для прогнозування впливу температури на термін служби електроживлення. Найпоширеніші моделі Аргеніус , які виражають частоту провалу як тенденційну функцію температури:

] / (k × T)]

де λ є частотою провалу, A є пре-експертним фактором, E] є активована енергія (типово 0,7–1.0 eV для електролітичних конденсаторів), k є постійними болтманн, і T є абсолютною температурою. Ця модель підкреслює багато дерейційних інструкцій і використовується в стандартах, таких як MIL‐HDBK‐217 і Telcordia SR‐332.

Для механічної втоми через теплову велоспорт, Coffin‐Manson рівняння відноситься до кількості циклів, які не мають циклів циклів, що не мають циклів температурного діапазону:

N] = C × (ΔT)]]

N]f - це кількість циклів для збою, ΔT - це перепад температури, а м зазвичай становить від 1,5 і 3 для паяльних з'єднань. Ці моделі дозволяють дизайнерам оцінити надійність поля і встановити кваліфікаційні вимоги.

Попередня посилання: Для отримання більш детальної інформації про рівняння Аргенія в галузі надійності, див. Reliability HotWire: The Arrhenius Model.

Стратегії дизайну для підвищення теплостійкості

Покращення надійності при температурі стресу вимагає багатостороннього вибору компонента, топології ланцюга, термоменеджменту та механічного дизайну.

Технології термічного управління

Найпрямим способом зниження температурних ефектів є видалення тепла ефективно. До поширених методів відносяться:

  • Пасивні радіатори — фіновані алюмінієві або мідні радіатори, прикріплені до компонентів живлення, збільшують площу поверхні для конвекційного охолодження. Їх ефективність залежить від належних матеріалів термоі (TIM) і потоку повітря.
  • Привітне повітряне охолодження — Вентилятори або дуетники різко покращують конвекційне теплопередачі. Однак надійність вентилятора стає занепокоєнням; погані вентилятори або інтелектуальний контроль швидкості можуть допомогти.
  • — Використовується в високопотужних промислових і телекомунікаційних поставках. Холодні пластини з циркуляцією охолоджувача можуть видалити тепло від декількох компонентів, що дозволяє більш високу щільність потужності.
  • Поточування та енкопсуляція — Термопровідні епоксиди або силіконові речовини заповнюють поодинокими компонентами, зменшуючи гарячі плями та покращують тепло, що поширюється на закриття.
  • Труби та парокамери — Двофазні пристрої, які перевозять тепло з дуже низькою термостійкістю, корисні для концентрування тепла на дистанційному змащенні.

Вибір компонентів та депротеї

Вибираючи компоненти з широкими показниками температури є вирішальним. Для електролітичних конденсаторів використовуйте 105 °C або 125 °C номінальні частини, навіть якщо очікуваний ембіент нижня; додатковий запас різко розширює життя. Виберіть MOSFETs з низькою R]DS(on)] при високій температурі, і забезпечити кон'юнктуру ніколи не перевищує 80 % абсолютного рейтингу в умовах гіршої ери. Феритові ядра повинні бути обрані для низьких втрат при робочій частоті і очікуваній температурі.

Знижувальні інструкції з галузевих стандартів (наприклад, IPC‐9592, JEDEC JESD74) рекомендують застосовувати коефіцієнт безпеки 0,5 до 0,8 на напругу, струм і рейтинги живлення, з розірвав багатоплищем, регульованим для навколишньої температури. Наприклад, конденсатор оцінюється при 100 В не повинен бути схильний до більш ніж 80 В при 85 ° С.

Попередня посилання: Практичний посібник для виявлення з Мілітарна аерокосмічна електроніка: компонент Дерейтинг для енергозберігаючих речовин.

Схема розміщення та механічне обґрунтування

Друкована схема макета плати істотно впливає на теплову продуктивність. Помістіть компоненти високої пшениці біля краю дошки або над великим мідним заливанням. Використовуйте теплові за допомогою для передачі тепла на внутрішню площину. Уникайте кластеризації гарячих деталей, замість цього розподіліть їх для зменшення висоти температури. Для крізь компоненти, забезпечують належне формування філе паялки, щоб мінімізувати навантаження при тепловому розширенні.

У високонадійних конструкціях, враховуйте за допомогою теплових колодок з алюмінієвих ‐foil‐напірних матеріалів, які подвійні як теплові розподільники. Також, запроектуйте корпус для отримання природних конвекційних повітряних шляхів — нижні вентилятори для охолодження впускання повітря та верхніх вентиляцій для витяжки.

Методи тестування та перевірки

Не існує кількості імітаційних систем, які можуть замінити теплові тести в реальному середовищі. Ключові кваліфікаційні тести включають:

  • Thermal Cycling] — Вирівнюючи між високими і низькими температурами (наприклад, −40 °C до +85 °C) для 500–1000 циклів для оцінки концентраційної втоми та ентапульації цілісності.
  • Високотемпературний термін експлуатації (HTOL) — Запуск поставок при максимальній номінальній температурі навколишнього середовища (наприклад, 70 °C для комерційного, 105 °C для промислового) під повним навантаженням на тисячі годин при контроль вихідних параметрів.
  • Thermal Imaging — Використання інфрачервоних камер для виявлення гарячих плям і перевірки, що всі компоненти залишаються в межах зазначених температур.
  • Прогностування життя (ALT) — Застосування підвищених температур і напруг, що змусять збої, після чого за допомогою моделей Arrhenius для екстраполяції очікуваного життя в умовах нормального стану.

Попередня посилання: Для детального огляду стандартів тестування надійності джерела живлення, див. IEEE 1624-2008: Стандарт для постійного струму та живлення змінного струму.

Висновок

Ватрифікації температури залишаються одним з найбільших загроз для перемикання надійності джерела живлення. Від прискорення конденсатора старіння до теплового ходу в напівпровідниках і втоми в паяльних суглобах ефекти є первазивними і часто взаємопов'язані. Розуміння основних фізичних механізмів — і використання надійних методів проектування, таких як правильне охолодження, дегенерація компонентів і ретельне тестування — інженери можуть будувати джерела живлення, що забезпечує послідовну продуктивність протягом багатьох років роботи в суворих умовах.

Вже попереду, прийняття широкосмугувальних напівпровідників (кондиціональних карбідів та нітрид кальцію) обіцяє більш високі експлуатаційні температури та низькі втрати, які пом'якшують багато теплових викликів, описаних тут. Поєднання з розширеним цифровим контролем, що може регулювати частоту перемикання та цикл мита в реальному часі для управління температурою, наступні джерела живлення будуть більш стійкими, ніж коли-небудь. Тим не менш, фундаментальні принципи тепломенеджменту залишаться центральним для проектування живлення для передбачуваного майбутнього.