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Tecnologia PCB
Analisi della progettazione termica dell'alimentazione elettrica ad alta frequenza
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Analisi della progettazione termica dell'alimentazione elettrica ad alta frequenza

Analisi della progettazione termica dell'alimentazione elettrica ad alta frequenza

2021-11-29
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Author:iPCBer

1. Introduction

Electronic products generally have strict requirements on operating temperature. Excessive temperature rise inside the power supply equipment will cause the failure of temperature-sensitive semiconductor devices, condensatori elettrolitici ed altri componenti. When the temperature exceeds a certain value, il tasso di guasto aumenta esponenzialmente. Statistics show that the reliability of electronic components decreases by 10% every time the temperature of electronic components rises by 2°C; the lifespan at a temperature rise of 50°C is only 1/6 di quello ad un aumento di temperatura di 25°C. Pertanto, Le apparecchiature elettroniche soddisferanno i requisiti di controllo dell'aumento di temperatura dell'intero telaio e dei componenti interni. This is the thermal design of electronic equipment. For hfrequenza igh board switching power supplies, che dispongono di dispositivi di riscaldamento ad alta potenza, temperature is the most important factor affecting their reliability. Per questo motivo, there are strict requirements on the overall thermal design. La progettazione termica completa comprende due aspetti: come controllare il calore generato dalla fonte di calore; come dissipare il calore generato dalla fonte di calore. The ultimate goal is how to control the temperature of the electronic equipment after the thermal equilibrium is reached within the allowable range.

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2. Heating control design

The main heating components in the alimentazione di commutazione are semiconductor switching tubes (such as MOSFET, IGBT, GTR, SCR, ecc.), high-power diodes (such as ultra-fast recovery diodes, Diodi Schottky, etc.), hfrequenza igh trasformatori, Induttori del filtro e altri componenti magnetici E carico falso, etc. Esistono diversi metodi di controllo della generazione di calore per ogni tipo di elemento riscaldante.

2.1 Reduce la heat generation of the power switch

The switch tube is one of the components that generate more heat in the hfrequenza igh switching power supply. Ridurre il suo calore può non solo migliorare l'affidabilità del tubo interruttore stesso, but also reduce the temperature of the whole machine, migliorare l'efficienza dell'intera macchina e il tempo medio tra guasti. (MTBF). Quando il tubo dell'interruttore è in funzionamento normale, it is in two states of on and off, e la perdita generata può essere suddivisa nella perdita causata dai due stati critici e nella perdita causata dallo stato on. Among them, la perdita di stato on è determinata dalla resistenza di stato on del tubo interruttore stesso. This loss can be reduced by choosing a low on-resistance switch tube. La resistenza on-state del MOSFET è maggiore di quella di IGBT, but its operating frequency is higher, quindi è ancora il dispositivo preferito per la progettazione dell'alimentazione elettrica di commutazione. Now IR's new IRL3713 series HEXFET (hexagonal field effect transistor) power MOSFET has achieved 3mΩ on-state resistance, in modo che questi dispositivi abbiano una minore perdita di conduzione, gate charge and switching loss. L'azienda americana APT ha anche prodotti simili. The losses in the two critical states of turn-on and turn-off can also be reduced by selecting devices with faster switching speeds and shorter recovery times. Ma la cosa più importante è ridurre le perdite progettando metodi di controllo e tecniche di buffering migliori. This method can show advantages when the switching frequency is higher. Per esempio, varie tecnologie di soft-switching possono consentire l'accensione o lo spegnimento del tubo di commutazione nello stato di zero tensione e zero corrente, thereby greatly reducing the loss caused by these two states. Tuttavia, some manufacturers still use hard-switching technology from the perspective of cost, e possono ridurre la perdita del tubo di commutazione e migliorarne l'affidabilità attraverso vari tipi di tecnologie di buffering.

2.2 Reduce the heat generation of the power diode

In the hfrequenza igh switching power supply, there are many applications of power diodes, e i tipi selezionati sono anche diversi. For the power diodes that rectify the input 50Hz alternating current into direct current and the fast recovery diodes in the snubber circuit, in circostanze normali, there will be no better control technology to reduce losses, e solo dispositivi di alta qualità possono essere selezionati, such as the use of conduction voltage. Diodi Schottky inferiori o diodi di recupero ultraveloci con velocità di spegnimento più veloce e recupero morbido per ridurre perdite e calore. The rectifier circuit on the secondary side of the hfrequenza igh Il trasformatore può anche adottare un metodo sincrono di rettifica per ridurre ulteriormente la perdita di caduta di tensione di rettifica e la generazione di calore, but both of them will increase the cost. Therefore, how the manufacturer grasps the balance between performance and cost and achieves the highest cost performance is a question worthy of study.

2.3 Reduce the heating of magnetic components such as hfrequenza igh transformers and filter inductors

Various magnetic components are indispensably used in hfrequenza igh switching power supplies, come strozzature nei filtri, energy storage filter inductors, alimentatori isolati, and hfrequenza igh transformers. They will produce more or less copper loss and iron loss during work, e queste perdite sono emesse sotto forma di calore. Especially for inductors and transformers, the hfrequenza igh current flowing in the coils will double the copper loss due to the skin effect, così la perdita causata dagli induttori e trasformatori diventa una parte non trascurabile. Therefore, nel disegno, multiple thin enameled wires should be used for parallel winding, o fogli di rame larghi e sottili dovrebbero essere utilizzati per avvolgere per ridurre l'influenza dell'effetto della pelle. Il nucleo magnetico è generalmente fatto di materiale ferrite di alta qualità, such as TDK magnetic material produced in Japan. Un certo margine dovrebbe essere lasciato nella selezione del modello per evitare la saturazione magnetica.

2.4 Reduce the calorific value of the fake load

In order to avoid the voltage increase caused by no-load state, high-power switching power supplies are often equipped with dummy loads high-power resistors. Ciò è particolarmente vero per gli alimentatori con unità PFC sorgente. When the switching power supply is working, il carico fittizio deve passare una piccola quantità di corrente, which will not only reduce the efficiency of the switching power supply, ma anche la sua generazione di calore è un fattore che influisce sulla stabilità termica di tutta la macchina. The position of the dummy load on the printed board (PCB) is often very close to the electrolytic capacitor used for output filtering, e il condensatore elettrolitico è estremamente sensibile alla temperatura. Therefore, è necessario ridurre il potere calorifico del carico fittizio. A more feasible way is to design the dummy load as a variable impedance method. La dimensione dell'impedenza di carico del manichino è controllata rilevando la corrente di uscita dell'alimentazione di commutazione. Quando l'alimentazione elettrica è in un carico normale, the dummy load exits the current consumption state; when there is no load, il carico fittizio consuma la corrente più grande. This will not affect the stability of the power supply at no load, né ridurrà l'efficienza dell'alimentazione elettrica e genererà una grande quantità di calore inutile.

3. Heat dissipation design

3.1 The basic method of heat dissipation and its calculation method

There are three basic ways of heat dissipation: heat conduction, convection heat transfer and heat radiation.

1) Heat conduction The heat transfer that occurs between the various parts of the object in direct contact or within the object is heat conduction. Il meccanismo è il trasferimento reciproco di energia cinetica molecolare tra oggetti a temperature diverse o parti di oggetti a temperature diverse. The concept of heat conduction is very similar to that of current. Il calore viene sempre condotto da un luogo con una temperatura elevata a un luogo con una temperatura bassa. There is thermal resistance in the process of heat conduction, proprio come c'è resistenza nel flusso di corrente. Its heat flow Φ=[W], dove Rt è la resistenza termica, and Ï is the temperature difference. The thermal resistance Rt=[K/W], where δ is the thickness of the conductor, Î" è la conducibilità termica, and A is the cross-sectional area of the conductor. In questo modo, in the design of the switching power supply, L'aumento di temperatura Ï=ΦRt può essere ottenuto dalla dissipazione di potenza della fonte di riscaldamento. In practical applications, il flusso di calore dalla fonte di calore al radiatore spesso deve passare attraverso conduttori termici di diversi materiali, that is, ci sono serie di resistenze termiche diverse. In the calculation, la resistenza termica totale è la somma delle resistenze termiche multiple.

2) Convective heat transfer heat is transferred to the fluid layer close to it through heat conduction. Dopo che questo strato di fluido è stato riscaldato, its volume expands, la sua densità diventa più piccola, e scorre verso l'alto, and the surrounding dense fluid flows over to fill it. Il fluido assorbe calore e si espande e scorre verso l'alto, and circulates in this way, prelevare continuamente calore dalla superficie dell'elemento riscaldante. This process is called convective heat transfer. The calculation of convective heat transfer generally adopts the formula proposed by Newton: Φ=αA(θ1-θ2)[W], where A is the area of the wall in contact with the fluid [m2], α è il coefficiente convettivo di trasferimento del calore, and θ1 is the wall temperature [ K], θ2 is the average temperature of the fluid [K]. It can be seen that the heat flux Φ is proportional to the product of the convective heat transfer coefficient α, la sezione trasversale A, and the temperature difference between the solid surface and the fluid (θ1-θ2). Convection heat transfer is a complex heat transfer process, che non è determinato solo dal processo termico, but also by the dynamic process of the gas. In poche parole, there are two factors that affect convective heat transfer: (1) The physical properties of the fluid, come la densità, viscosity, coefficiente di espansione, thermal conductivity, calore specifico, etc.; (2) The flow of the fluid is natural convection Still forced convection, laminar flow or turbulent flow. Perché nel flusso laminare, heat transfer mainly relies on heat conduction between unrelated flow layers; while in turbulent flow, il fluido genera vortici al di fuori dello strato inferiore a flusso laminare vicino alla parete per migliorare il trasferimento di calore. Generally speaking, alle stesse altre condizioni, the heat transfer coefficient of turbulent flow is several times larger than that of laminar flow, o anche di più.

3) Thermal radiation The propagation of electromagnetic waves caused by temperature differences is called thermal radiation. Il suo processo è molto più complicato della conduzione del calore e del trasferimento di calore a convezione. It is the energy that converts part of the heat energy of an object into electromagnetic waves. Si diffonde intorno attraverso il mezzo che può trasmettere onde elettromagnetiche come aria e vuoto. When it encounters other objects, parte di esso viene assorbita e convertita in energia termica, and the rest is Be reflected back. La radiazione infrarossa emessa da vari oggetti è una sorta di radiazione termica. In vacuum or air, La capacità di radiazione irradiata da un oggetto dipende dalla natura dell'oggetto, surface condition (such as color, rugosità, etc.), surface area, e temperatura superficiale. Φ=εÏbA(T14-T24) where Ïb is Boltzmann's constant with a value of 5.6710-8, A is the radiation surface area [m2], T is the absolute temperature of the surfaces of the two objects [K], ε is the surface blackness . Più scura e ruvida la superficie dell'oggetto, the stronger the radiation ability.