هناك طلب مستمر على وحدات الإمداد بالطاقة ووحدات المحولات المدمجة والفعالة في الصناعة. محولات باك هي محولات DC-to-DC التي تقوم بتحويل التيار المستمر عالي الجهد إلى تيار مستمر منخفض الجهد ، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة هذا التحويل. تجد محولات DC-DC تطبيقاتها في كل نظام إلكتروني تقريبًا يتكون من أجهزة تعمل على مستويات جهد مختلفة. تتضمن بعض التطبيقات النموذجية شواحن البطاريات ، والطائرات بدون طيار ، ومحولات الطاقة الشمسية ، وعديمة الفرشاة ، بالإضافة إلى أجهزة التحكم في المحركات المصقولة. يعد الأداء الحراري لمحولات باك DC-DC أحد الاعتبارات المهمة في التصميم.
أدى الطلب المتزايد باستمرار على محولات باك المدمجة عالية الطاقة DC-DC إلى اكتشاف محولات باك عالية الكثافة للطاقة. تحتوي هذه المحولات على مكونات سلبية أصغر ، مثل المحاثات والمكثفات والمحولات الأصغر. يتم ذلك عن طريق زيادة تردد تشغيل النظام. ولكن كما نوقش في المقال السابق، تعمل جميع محولات الطاقة اليوم عند تبديل الترددات التي لا تزيد عن نطاق ميغاهرتز. هذا بسبب تأثيرات التسخين غير المرغوب فيها وفقدان الطاقة الناتج عن زيادة خسائر التبديل. تزيد خسائر التبديل هذه من كمية الحرارة المتولدة ، مما قد يعيق عمل لوحة الدائرة.
ال المقال السابق سلط الضوء على الأساليب التي اعتمدتها منظمة الشفافية الدولية للحد من خسائر التبديل. ولكن من أجل جعل هذه المحولات أكثر كفاءة حرارياً ، فقد ركز الباحثون الآن على زيادة الأداء الحراري للنظام.
مع تزايد الحاجة إلى الألواح الأصغر حجمًا ، تكون المساحة المتاحة لتثبيت البنية التحتية للتبريد بكفاءة مثل أحواض الحرارة والمراوح أقل بكثير بسبب الحرارة الزائدة المتولدة التي يمكن أن تلحق الضرر بالمكونات النشطة والسلبية الأخرى على اللوحة. ومن ثم فمن الأهمية بمكان إخراج الحرارة بكفاءة من أجل تسهيل العمل السليم للوحة. مع تحسن حجم العبوة وحجم القالب وكثافة الطاقة الإجمالية ، يتدهور الأداء الحراري المتوقع ما لم يتم إيلاء اهتمام خاص للحفاظ عليه وزيادته. هناك العديد من الطرق لتبريد اللوح خارجيًا من خلال أنظمة التبريد والمشتتات الحرارية المتقدمة ، ولكن مع مراعاة الاعتبارات الحرارية أثناء مرحلة التصميم يمكن أن يؤدي إلى زيادة الأداء الحراري للوحة بشكل كبير.
تحسين الأداء الحراري من محولات DC-DC باك
تتناول المقالة تقنيتين اعتمدتهما شركة Texas Instruments (TI) لزيادة الأداء الحراري لمحولات باك DC-DC. هم انهم
- تحسينات تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)
- تصميم MOSFET خارجي
تحسينات تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور
لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) هي الناقل الفعلي للرقائق المختلفة والمشتتات الحرارية والمكونات السلبية الأخرى التي تعمل معًا لإنشاء وحدة كاملة. ومن ثم يصبح من الضروري تحليل تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور وتأثيره على المكونات النشطة والسلبية المختلفة المركبة عليه. تضمن مخططات التصميم المثلى تشغيلًا موثوقًا وفعالًا للرقائق المدمجة والدوائر المتكاملة على نطاق واسع من درجات الحرارة.
يركز المصممون بشكل عام على زيادة مساحة النحاس عن طريق إضافة طائرات أرضية جديدة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات. من خلال زيادة مساحة النحاس وتوسيع عرض المسار ، تقلل المقاومة والتحريض الطفيلي وتبدد الحرارة بكفاءة في نفس حجم اللوحة. هناك نهج أكثر فاعلية لحل هذه المشكلة يتمثل في الاحتفاظ بفتحات حرارية على السبورة. فيا هي ثقوب ميكانيكية يتم حفرها في ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتوصيل طبقات مختلفة في لوح متعدد الطبقات. تُستخدم الفتحات الحرارية في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتبديد الحرارة عموديًا من المكونات المثبتة على السطح إلى الطبقات السفلية. من السهل بناء الفتحات عبر الفتحات ورخيصة الثمن. بينما تتطلب الحواجز العمياء والمدفونة تقنية متقدمة وهي مكلفة لإنشاءها لأنها تضيف إلى درجة التعقيد.
لتحقيق حل مُحسَّن بكفاءة ، يجب إنشاء توازن بين التكلفة المتكبدة في تصنيع اللوحة والزيادة في الأداء الحراري المحقق. لتحديد نفس TI الذي تم تجربته على محول باك TPS62866 حيث كان لديهم 3 إصدارات من نفس اللوحة بأعداد مختلفة من الفتحات العمياء والمدفونة. تم أخذ قياسات محاكاة وقياسات واقعية للأداء الحراري للإصدارات الثلاثة ، وتم استخلاص الاستنتاجات التالية.
- في الإصدار 1 ، الذي كان يحتوي على فتحات فتحات وأخرى عمياء ، تم تحقيق أفضل أداء ، وكان حلاً مُحسّنًا للأداء ، ولكن يصعب إنشاء واجهات عمياء وزيادة التكلفة الإجمالية لتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور
- كان الإصدار 2 عبارة عن لوحة تحكم بدون فتحات حرارية ، وبالتالي لوحظ أعلى درجة حرارة للجهاز عليها. لقد كان حلا مثاليا من حيث التكلفة.
- في الإصدار 3 ، تم استخدام فيا عبر الفتحة فقط ، أي. تم استبدال vias العمياء في الإصدار 1 بفتحات عبر الفتحة. كانت درجة حرارة الجهاز ، في هذه الحالة ، أقل من الإصدار 2 وتقريباً مساوية للإصدار 1. لقد كانت حلاً مُحسّنًا من حيث الأداء والتكلفة.
يمكن الاستنتاج أن إضافة فتحات حرارية تدعم تحسين الأداء الحراري للوحة. ولكن من أجل الحصول على حل محسّن من حيث التكلفة والأداء ، يجب استخدام فتحات الربط والمدفونة عند الضرورة فقط.
تصميم MOSFET خارجي لمحولات DC-DC باك
تصميم آخر هو تحسين الأداء الحراري لمحول DC-to-DC باستخدام MOSFETS الخارجية. MOSFETS هي مكونات أساسية لمحول باك DC-DC وهي تنتج أكبر قدر من الحرارة عند مقارنتها بالمكونات الأخرى الموجودة على اللوحة بسبب فقد التبديل. ومن ثم يحتاج المصممون إلى النظر في تأثيرات الحرارة الناتجة عن MOSFET المتكاملة على موثوقية وكفاءة اللوحة. ومن ثم يمكن استخدام وحدة تحكم خارجية MOSFET.
على الرغم من أن MOSET المدمج مطابق كهربائيًا لوحدة التحكم الخارجية MOSFET ، إلا أنه من الصعب تبريد التصميم المتكامل بكفاءة بسبب نقص المساحة. نظرًا لوضع MOSFET الخارجي بعيدًا عن لوحة التحكم الرئيسية جنبًا إلى جنب مع لوحة تحكم ثانوية ، يمكن تحقيق أداء حراري وتبريد أفضل. بصرف النظر عن تحسين الأداء الحراري ، توفر MOSFETs الخارجية أيضًا المرونة في اختيار MOSFETs المستخدمة في التصميم ، والتي يمكن أن توفر مزايا للتسعير ، وتحديد المصادر ، والقياس الحالي.
خاتمة
تتطلب وحدات الطاقة مثل محولات باك DC-DC الكثير من الضبط الدقيق قبل الوصول إلى حل مُحسّن من حيث الأداء والتكلفة. أدى نقص البحث في تحسين الأداء الحراري للوحات الطاقة إلى إعاقة وتيرة التطوير في لوحات الدوائر عالية الطاقة والمدمجة. بينما تم إجراء الكثير من الأبحاث لتحسين الأداء الحراري للأجهزة الحالية ، من المهم أيضًا مراعاة الاعتبارات الحرارية أثناء مرحلة تصميم الألواح. تطرقت المقالة إلى تقنيتين لتحسين الأداء الحراري مستخدمة من قبل TI في مرحلة التصميم لتكلفة التصنيع ومحولات باك المحسّنة للأداء.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
