Proces projektowania układu chłodzenia składa się z kilku etapów:
- zebranie wymagań projektowych, takich jak: wymagania prawne (w tym bezpieczeństwa – napięcie, rezystancja i grubość izolacji) oraz EMC (kompatybilność elektromagnetyczna), wymagania środowiskowe (temperatura, wilgotność, zapylenie, wibracje), a także założenia funkcjonalne,
- wykonanie obliczeń sumarycznych strat mocy w elementach elektronicznych oraz wyznaczenie ich maksymalnych temperatur z uwzględnieniem niezawodności układu,
- określenie sposobu chłodzenia (układ pasywny lub aktywny) oraz ograniczeń mechanicznych, takich jak wielkość i kształt obudowy,
- wybór materiałów biorących udział w transporcie ciepła poza urządzenie.
Dobrym rozwiązaniem jest wykonanie komputerowych analiz i symulacji. Można do tego wykorzystać komercyjne oprogramowanie bazujące na metodzie elementów skończonych (MES). Dostępne są również darmowe symulatory, takie jak Elmer FEM, które pozwalają na obliczenia przepływu ciepła, określenie zmian temperatury w czasie oraz prezentację wyników w formie trójwymiarowej.
Możliwe jest także oszacowanie naprężeń mechanicznych, co ma szczególne znaczenie w przypadku zastosowania podkładek termoprzewodzących wymagających odpowiedniego docisku (typowo 10–100 N/cm²). Powstałe odkształcenia mogą prowadzić do pękania elementów SMD, dlatego należy sprawdzić, czy nie przekraczają one wartości granicznych określonych w dokumentacji komponentów. W przypadku stosowania materiałów silikonowych warto przeanalizować, czy dostatecznie wypełniają one nierówności i szczeliny. Analiza taka jest pomocna przy doborze twardości przekładki, a w urządzeniach narażonych na silne wibracje umożliwia także oszacowanie skuteczności tłumienia drgań.
Symulatory elektryczne
Analizy termiczne mogą być również wykonywane z wykorzystaniem symulatorów elektrycznych, takich jak Spice. W tym podejściu zjawiska cieplne modelowane są za pomocą wielkości elektrycznych. Rezystancję termiczną zastępuje się rezystancją elektryczną, pojemność cieplną – pojemnością kondensatora, a źródła ciepła – źródłami prądu. W ten sposób cały układ może zostać opisany za pomocą schematów elektronicznych. Warunkiem zastosowania tej metody jest wcześniejsze przygotowanie modeli wszystkich podzespołów.
Rezystancję termiczną materiałów przewodzących ciepło oblicza się na podstawie ich grubości, pola powierzchni oraz współczynnika przewodnictwa cieplnego zgodnie ze wzorem:
Rth= d / (λ · S) [K/W]
gdzie: λ – współczynnik przewodnictwa cieplnego [W/(m·K)], S – pole przekroju, przez który przepływa ciepło [m²], d – grubość przegrody [m].
Rezystancję termiczną radiatorów oraz powierzchni chłodzących na płytkach PCB najłatwiej określić na podstawie wykresów zależności Rth od powierzchni i kształtu, a w przypadku chłodzenia aktywnego – również od przepływu powietrza (CFM lub m/s). Bardzo pomocne są także liczne kalkulatory dostępne on-line.
Pojemność cieplną, czyli ilość energii potrzebnej do zmiany temperatury o 1 K, opisuje zależność:
C = ΔQ / ΔT [J/K]
W modelach elektrycznych wielkość ta odpowiada pojemności kondensatora i obliczana jest jako iloczyn masy elementu oraz jego ciepła właściwego:
C = m · c [J/K]
Pojemność cieplna podkładek silikonowych mieści się zazwyczaj w zakresie 1000– 1500 J/( kg·K) i jest większa niż w przypadku aluminium – ok. 900 J/( kg·K), lecz mniejsza niż dla wody – ok. 4200 J/( kg·K).
Modele termiczne elementów półprzewodnikowych
Znacznie trudniejsze jest poprawne modelowanie elementów półprzewodnikowych, których parametry termiczne podawane są najczęściej w postaci wykresów impedancji termicznej w funkcji czasu emisji ciepła oraz dla różnych współczynników wypełnienia. Inną formą prezentacji dopuszczalnych parametrów są wykresy SOA (Safe Operating Area), jednak ich wykorzystanie do tworzenia modeli symulacyjnych jest utrudnione.
Ich zaletą, szczególnie w przypadku tranzystorów MOSFET, jest uwzględnienie efektu Spirito, czyli nierównomiernego rozpływu prądu w obszarze drenu, prowadzącego do lokalnych punktów o podwyższonej temperaturze. Niektóre modele symulacyjne udostępniane przez producentów uwzględniają ten efekt.
Przygotowując model termiczny, najłatwiej skorzystać z wykresu impedancji Zth dla pojedynczego impulsu (single pulse).
Narzędzia obliczeniowe, takie jak Octave, pozwalają na dopasowanie wartości elementów R i C metodą najmniejszych kwadratów. Jeśli otrzymanym wynikiem jest model Fostera (szeregowo połączone dwójniki RC), należy przekształcić go do modelu Cauera, w którym wszystkie kondensatory są podłączone do wspólnego punktu odniesienia (masy).
Tak przygotowane modele można bezpośrednio wykorzystać w analizach typu "transient" w środowiskach Spice, umożliwiających jednoczesne wyznaczanie napięć, prądów, strat mocy oraz temperatur elementów układu.
Wyniki tych obliczeń pozwalają nie tylko sprawdzić, czy nie są przekraczane maksymalne dopuszczalne wartości parametrów, lecz także oszacować żywotność elementów i całego urządzenia (MTTF). W tym celu wykorzystuje się współczynniki FIT, których zależność od temperatury często opisana jest prawem Arrheniusa. W ograniczonym zakresie temperatur powszechnie stosuje się regułę starzenia (regułę Montsingera), określającą przyrost temperatury powodujący skrócenie trwałości o połowę. Umożliwia to szacowanie zmian parametrów, takich jak spadek pojemności kondensatorów, zjawiska elektromigracji prowadzące do uszkodzeń struktur półprzewodnikowych czy degradację izolacji w transformatorach.
Podsumowanie
Zastosowanie nowoczesnych narzędzi obliczeniowych i symulacyjnych w analizie termicznej pozwala znacząco skrócić czas projektowania układów elektronicznych, a jednocześnie zwiększyć ich niezawodność i trwałość. Połączenie metod MES, modeli skupionych oraz symulacji w środowiskach Spice umożliwia kompleksową ocenę zachowania cieplnego urządzenia już na wczesnym etapie projektu. Dzięki temu możliwe jest świadome podejmowanie decyzji konstrukcyjnych, optymalizacja doboru materiałów oraz minimalizacja ryzyka kosztownych poprawek na etapie prototypowania i eksploatacji.
BL elektronik
tel. 12 394 58 66
www.blelektronik.com.pl
