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[Flotherm] 热设计引领充电器开发

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发表于 2018-10-25 14:21:07 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 上海
前言
关于将热设计活动提升到产品开发工作流程的更早阶段,以减少以后需要的返工量,消除由于热量原因引起的物理原型设计问题等方面的好处已经被写过很多。也就是说,热设计通常作为参考指标,或者对主要电气和机械设计流程起约束作用。

      在NXP半导体公司的智能电源部门正在开发的电源适配器的案例中,由于我们在移动电源适配器中看到的趋势的驱动,热设计开始显现重要性。移动电源适配器越来越小,输出功率也越来越高。散热现在制约了设计的各个方面。
      最近的一个项目涉及适装25W充电器进入以前用于18W充电器的较小外壳,约小26%,同时仍然满足热限制,将外壳温度限制在不超过2cm x 2cm的平均值的最大50°C,环境温度25°C。增加充电器的尺寸,虽然散热理想,会使充电器不方便使用。充电器内的空气流动的方案同样散热理想,但由于电源内部电压的原因,出于安全性考虑,再次被排除。

       第一个问题是“什么是可能的?”“这可以通过找出设备内部耗散了多少能量来回答,从而得出最高的温度条件。”通过为适配器构建一个简单的块表明,只包含两个块代表管脚,内部功率分布均匀,可以增加功耗,直到达到温度极限。如图1所示为适配器外壳,其热模型为无热点的理想情况。


图1.18W充电器(插图)和简单块模型来确定25W充电器的最大功耗


      仿真结果表明,在理论上,适配器的耗散量可以达到最大2.7W。假设输出功率需要25W,那么最小效率是多少?ƞ需要是:

为电子设计提供性能约束。

       下一步是对新适配器的初始设计进行建模,以查看表面温度分布以及温度会超过限制的地方。在2.91W时,初始设计肯定会超过最高温度,但深入了解该设计中的温度分布有助于识别热点,从而指导设计改进。

      为了构建此模型,模型中要包含大功耗的零件以及电解电容器,因为它们都很大,影响整体热性能和温度敏感性。电气设计的一个主要方面是将高压电源与低压输出级隔离,这是通过在连接高压级的电源和输出连接的低压次级之间的主PCB上留下较大距离来实现的。由于并非所有次级组件都安装在主PCB上,因此添加了一个小的第二PCB。

      这些PCB每个预计有四层 - 两个35μm的外部信号层和两个70μm的内部电源层(主要用于内部低压电源和接地)。这些电路板采用离散层建模,但每层具有平均材料属性,假设信号层的铜覆盖率为30%,电源层的铜覆盖率则为70%。早期设计中的一个关键决策是如何对组件进行建模。大多数组件建模为离散块,具有均匀的内部功耗和材料特性,其值根据部件的主要材料来进行选择。

      正如预期的那样,由于适配器内部的局部热点,外壳温度在几个地方超过50°C,最大表面温度为61°C。适配器内部的两个关键热点是主板上的主MOSFET和小型第二板上的同步器 MOSFET,如图2所示。在这两个元件的旁边,变压器的耗散大,温度高,但由于尺寸较大,冷却效果更好。

      纠正这些问题,以在客户要求的期限内实现可接受的热设计,这是一个具大的团队工作,需要应用工程师之间的密切合作,以确定组件的大小,并提供功率估算;布局工程师为了PCB布局工作;我自己作为热工程师也提出热改进建议,并通过进行FloTHERM模拟来研究这些建议的热影响。这个过程包括坐在一起列出想法,然后我在FloTHERM中模拟,根据结果我们会决定接受和拒绝哪些想法。我们经历了几次这个循环,下面将详细介绍,最终得到了模拟的最终PCB布局,然后进行组装。

图2.初步设计


      随着功耗过高,优化电路和控制开始,主要集中在降低初级MOSFET、变压器和同步整流MOSFET的功耗,该MOSFET优先用于整流二极管,它消耗更少的功率,但需要由同步整流器IC提供的驱动信号。这项工作的总功耗为2.2W,效率为91.9%。由于功率低于2.7W的理论最大值,如果壳体上的热点可以减少,则应该可以进行冷却,以及如果强制重新设计电路和控制部分,热约束也需要进行重大的重新设计,以改变元件的布局来达到更好地分散整个适配器的散热的目的。

图3.初步设计-表面温度


      主要的变化是将主MOSFET从主板顶部移到底部,并远离变压器以分离这些耗散源。初级MOSFET平放在PCB上,以传导更多的热量。然后将四个桥式二极管移动到主板的顶部。这些变化意味着主板上的大圆柱形电容器也必须移动。将其安装在侧面并将主板抬起。

图4.初步设计-显示内部热点


       增加小型第二板的尺寸以改善散热,并了改变连接线的位置。在变压器和辅助板之间增加了一个垂直的塑料墙,帮助将次级PCB的热量传导到主板和变压器中,以帮助消除同步整流MOSFET的热量。最后的改变是将USB连接器移动到主板上,因为当适配器充电时将出现的电缆散热,将有助于消除适配器的热量,为主电源提供主电源的引脚也是如此。

      这些变化使与同步整流器MOSFET相邻的外壳温度降低了10°C,并且最大外壳温度平均在48.8°C的2cm x 2cm区域内,通过连接USB电缆的FLIR红外相机测量,从而满足设计要求。这项工作说明了热设计对电子产品的重要性以及使用FloTHERM可能获得的见解。最终适配器设计的仿真结果与预制适配器后外壳表面温度最大值及测量分布情况吻合较好,无需再进行设计返工。

图5.最终设计


      如果这个设计没有达到要求,我们仍然有机会稍微增加充电器的尺寸来改善外部冷却,使用更昂贵的内部电子元件,或者增加PCB的铜含量。FloTHERM帮助我们找到了我们认为最低成本的产品冷却解决方案。

图6.最终设计显示表面温度与测量比较

文章 为Ferdinand Sluijs发表在Engineering Edge Vol. 7 Iss. 1






      上海坤道信息技术有限公司         
电话:021-62157100

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