Охлаждение микросхем: печатная плата и радиатор (часть 1) (страница 2)

для раздела Лаборатория
DPAK

Этот корпус ничем не отличается от D2PAK, кроме размеров – они немного меньше.

72x80  3 KB

Коль скоро он так похож на D2PAK, то несет в себе те же недостатки. А именно – вывод истока соединяется с кристаллом посредством проводника. И это страшно плохо. Если есть явно выделенный проводник, то у него есть индуктивность и сопротивление. Что первое, что второе - большое зло для транзистора.

Повышенная индуктивность увеличивает время включения/выключения, усложняет схему управления. Повышенное внутреннее сопротивление ограничивает сопротивление транзистора в открытом состоянии. Например, самые мощные SMD транзисторы упаковываются в корпус D2PAK, но среди них нет ни одного с сопротивлением в открытом состоянии лучше 1.4 мОм (0.0014 Ом). Виной тому сопротивление провода к истоку. Буде у вас возникнут возражения, то посмотрите внимательно на название, есть транзисторы в корпусе D2PAK и с меньшим сопротивлением …. но и с одной закавыкой – с маленькой припиской '-7'. В корпусе несколько выводов истока (на рисунке отмечен литерой S), а не традиционный 'один'.

реклама

147x149  18 KB

Если посмотреть номенклатуру International Rectifier, а погодите, они же продали это подразделение фирме Vishay. Короче, один и тот же тип транзистора выпускается как в обычном корпусе D2PAK, так и в D2PAK-7, с несколькими выводами истока. Например,IRLS3034 и IRLS3034-7. Все характеристики примерно одинаковы, а вот сопротивление меньше – 1.4 мОм и 1 мОм соответственно.

Современные процессоры потребляют 100 Ампер и более, при рабочем напряжении 1-1.4 В (в зависимости от типа и фирмы производителя). Если заложить статические потери в 5% от этих цифр, то транзисторы в открытом состоянии должны обладать сопротивлением не хуже 0.6 мОм. Для шести фаз это означает применение шести транзисторов с сопротивлением не хуже 3.6 мОм. А в случае стандартного корпуса D2PAK это означает потерю 0.5 мОм только на выводах. Увы, версия упаковки D2PAK-7 не настолько удачна и значительно дороже обычной D2PAK. Плюс к тому, ассортимент транзисторов в этом экзотическом корпусе не так велик.

Всё сказанное напрямую относится к DPAK – болезнь типична для такого конструктивного исполнения. Выход? … избавляться от проводов. Здесь уже вопрос не технологии, а разумности – когда 1/4 сопротивления теряется просто на проводах, то альтернативы нет, надо переходить на другой корпус.

LFPAK

реклама

По своей сути, этот корпус продолжает линейку D2PAK-DPAK, но лишен главного их недостатка – исток соединяется со своим выводом напрямую, без промежуточного соединения проводом. Плюс к тому, в конструкции сразу заложили несколько выводов истока (отмечено 'S' на рисунке ниже).

Корпус существует в двух исполнениях – LFPAK и LFPAK-i.

414x306  27 KB

Обычный LFPAK рассчитан на отвод тепла через дно в печатную плату, как и D*PAK, а у версии '-i' корпус вывернут, и дно оказалось на верху. То есть он ориентирован на установку радиатора и, фактически, не может отдавать тепло печатной плате. Не думаю, что можно столкнуться с таким исполнением в персональном компьютере, а вот нормальный LFPAK уже встречается чаще, чем его предшественники D2PAK и DPAK. Посмотрите современные материнские платы, прямо нашествие какое-то.

Однако LFPAK никак не является венцом творения. Он может достаточно эффективно отводить тепло только в одну сторону (зависит от исполнения – либо в печатную плату, либо в радиатор). Да и выводы истока не идеальный проводник – хоть их и несколько, но они довольно тонкие. Так что для получения хорошего КПД преобразователя надо что-то другое.

DirectFET

Как мне кажется, это 'другое' оно и есть. Корпус продвигается фирмой International Rectifier и, в отличие от всех ранее описанных, лишен четких размеров. В зависимости от размера кристалла, корпус может быть меньше или больше, что можно записать как недостаток. Но, похоже, единственный и 'несерьезный'. Хотя, скорее нет, я неправ. Это его достоинство – в процессе изготовления не будет возможности схалтурить и поставить 'упрощенные' компоненты вместо заложенных при разработке.

251x144  8 KB

На картинке не указаны цифры, ведь в зависимости от суффикса (SQ, SX, ST, MQ, MX, MT, MP) его размеры могут меняться от 4х5 до 5х6 мм при высоте 0.7 мм.

Перед нами кристалл и медная пластина вокруг него. Никакого пластика нет, и вообще нет ничего лишнего. Почти идеал. Вывод истока выполнен в виде небольшой пластинки, припаянной прямо к кристаллу. Причем, обычно выводов истока несколько (два). Так же выполнен затвор, но он в одном экземпляре. Со стоком еще проще – его теплоотводящая пластина загнута по краям и подключается к плате на той же поверхности, где затвор и исток. Просто и элегантно.

Если посмотреть технические характеристики транзисторов в корпусе DirectFET, то невольно залюбуешься – маленькие размеры, невысокая энергия управления, сопротивление меньше 2 мОм считается обычным. Кстати, и цена не зашкаливает. Попробую выразить надежду, что данный корпус будет встречаться чаще, и намного, чем вариации D*PAK и его семейства. (Хотя, LFPAK не так уж и плох).

Повторюсь – корпус DirectFET эффективно отводит тепло через обе поверхности, и в плату, и в радиатор, если его установить. Только не забывайте, что на корпусе находится напряжение стока и при установке радиатора необходимо обеспечить надежную электрическую изоляцию. К сожалению, термопрокладки - зло, а на столь маленький корпус очень трудно надежно закрепить дискретный радиатор.

Ранее я ссылался на транзистор в корпусе D2PAK, пора сравнить его с аналогичным в корпусе DirectFET, например IRF6726M.

Параметр
IRLS3034, D2PAK
IRLS3034-7 D2PAK-7
PH3230S, LFPAK
PH2925U, LFPAK
IRF6726M, DirectFET
Напряжение, В
40
40
30
25
30
Сопротивление, мОм
1.4
1
2.7
2.3
1.3
Входная емкость, нФ
10.3
10.9
4.1
6.1
4.7
Энергия управления,нК
108
120
42
92
51
Время включения, нс
890
640
51
110
50
Время выключения, нс
350
294
122
372
42
Стоимость (avnet), USD
2.37
2.99
0.98
-
1.45

Существуют ли альтернативы корпусу DirectFET? Несомненно, и их будет становиться все больше и больше. Но пока их ‘никто не видел’, этот вопрос можно завершить.

реклама



Корпус для малогабаритного высокоэффективного транзистора.

Для транзисторов с особо низким сопротивлением используется большой корпус, но весьма проблематично запихнуть в мобильный телефон нечто, похожее на D2PAK. Поэтому, для мощного, но миниатюрного, транзистора применяются малогабаритные корпуса.

Вначале это был SO-8, но ему ‘мешали’ проводники, подключающие кристалл с выводами. Помните D2PAK? Та же проблема, только компактнее. Потом появился Copperstrap, который соединял группу выводов истока с кристаллом с помощью медной ленты. Правда, похоже на LFPAK? Упаковка стала дороже, а качество возросло не особо революционно – мешали сами выводы, они всё та же проволока. Для устранения такого дефекта был разработан корпус PowerPAK (на самом деле это целое семейство корпусов) и, позже, PolarPAK. В такой упаковке используется комбинация ленточного соединения с кристаллом и безвыводной корпус QFN. Вариант очень хороший, спору нет …. только DirectFET лучше. Он проще, изящнее, дешевле и меньше.

477x190  23 KB

Однако пора перейти от общих слов к сути статьи.

реклама

Немного теории

Нет, действительно совсем чуть-чуть.

При протекании тока через компонент, он нагревается. Степень нагрева определяется двумя параметрами – количеством тепла в единицу времени (мощностью), рассеиваемом на элементе, и тепловым сопротивлением. С первым вроде всё просто, есть напряжение и ток, вычислить мощность не так сложно. Впрочем, как раз с ними всегда есть проблемы, но хватит о грустном.

Тепловое сопротивление – мера, на сколько нагреется компонент к температуре окружающей среды, при подведении некоторой мощности. На радиаторы систем охлаждения часто приводят эту характеристику, она измеряется в ‘градусах на ватт’. Расшифровка проста: на столько градусов его температура станет выше окружающей среды при подведении одного ватта мощности. Например, 2 градуса/Вт. При подведении 15 ватт его температура будет выше окружающего пространства на 15*2=30 градусов.

Извините за повтор, но еще раз обращу внимание – речь именно о перегреве к окружающей среде. Если в системном блоке температура 35 градусов, то перегрев 30 превращаются в 35+30=65 градусов абсолютной температуры. Не самое прохладное место, не находите?

реклама

Итак, тепловое сопротивление радиатора. Оно зависит от множества факторов:

1. Площадь поверхности
2. Эффективность поверхности
3. Ориентация
4. Тип конвекции

Площадь поверхности

Это площадь поверхности, которая передает тепло внешней среде. Считается довольно просто, но часто не несет особого смысла.

Эффективность поверхности

реклама

И тут начинаются трудности – далеко не вся поверхность компонента одинаково хорошо отдает тепло. Да и 'расстояние' от источника тепла до различных участков не одинаково. Сюда же стоит приплюсовать применение разнородных материалов и покрытий. Поэтому в расчетах пытаются перейти от просто ‘площади поверхности’ к ее активной (эффективной) площади и дальше вести расчеты, не отвлекаясь на особенности радиатора.

Ориентация

В зависимости от ориентации может меняться эффективность отвода тепла. Обычно для систем с естественной конвекцией более эффективна вертикальная компоновка, а при искусственном (активном) охлаждении – поперек потока.

Тип конвекции

Вариантов здесь два – либо естественная конвекция, либо искусственная. Можно еще вспомнить о передаче тепла с помощью тепловых трубок или других теплоносителей, но это еще один способ отправить проблему дальше, не решив ее.

реклама

Искусственная конвекция подразумевает применение каких-либо дополнительных устройств для обдува поверхности охлаждаемых компонентов. Чаще всего в этом качестве выступают вентиляторы.

Естественная конвекция обходится без применения дополнительных устройств, но менее эффективна и требует учета ее особенностей при проектировании. Тонкость в механизме отвода тепла – при таком типе охлаждения воздушный поток движется вдоль поверхности, но это перемещение вызвано тем эффектом, что горячий воздух легче холодного и поднимается вверх. Может, видели когда-нибудь воздушные шары на горячем воздухе, здесь та же идея. Энергия восходящих потоков по радиатору очень небольшая, поэтому системы охлаждения такого типа должны ориентироваться по направлению движения потоков (снизу-вверх) и обязательно быть весьма ‘продуваемы’ (с редкими и высокими ребрами или столбиками).

Чисто внешне, радиаторы для этих двух типов сильно различаются. При работе в паре с вентилятором радиатор содержит относительно небольшие и компактно расположенные ребра. Для естественной конвекции подобная конструкция была бы провальной, ведь маленькие щели обладают очень большим сопротивлением воздушному потоку, и радиатор работал бы как вообще без ребер, как единый брусок металла. Для пассивных систем охлаждения у радиатора должны быть редкие и длинные ребра (или штырьки, не важно).

Методика тестирования

В данной статье будут рассмотрены некоторые приемы и особенности охлаждения отдельных 'типичных' компонентов узлов персонального компьютера по схожей технологии – компонент устанавливается в типичную для него среду и подогревается за счет внутреннего нагрева 'типичной' мощностью. Кроме обычного варианта охлаждения, будет рассматриваться применение обдува разной силы вкупе с дополнительным радиатором.

реклама

Тестирование разбито по типам упаковки, ведь основные тепловые характеристики в большей степени зависят именно от нее. Подробная методика будет описываться в каждом тесте.

BGA

Часто применяется для микросхем памяти. Обычный вариант установки – без радиатора, обязательно на многослойной печатной плате.

TSOP

Такой тип упаковки использовался в устаревших модулях памяти. Основной вариант установки аналогичен BGA, но довольно часто встречается размещение двух микросхем одна прямо под другой. Если для BGA такой случай невозможен, то для TSOP весьма обычен – это объясняется особенностью трассировки микросхем в этих корпусах.

реклама

TSOP считается устаревшим типом упаковки, его можно было бы не включать в тестирование, но есть микросхемы в похожих корпусах (например, drMOS), что представляет определенный интерес.

D2PAK

Подобный тип корпуса используется для транзисторов преобразователей напряжения.

В тестировании будет участвовать транзистор на обычной материнской плате без каких-либо вмешательств. Для повышения стабильности результатов, импульсные схемы отключаются, на транзисторе будет рассеиваться постоянная мощность.

DPAK

Корпус отличается от D2PAK только размерами, особенности те же.

При проведении тестов используется следующее построение стенда:

240x280  6 KB

Для активного охлаждения применяется вентилятор Nidec BETA SL, модель D08T-12PU - 80 мм, 12 В, 0.22 А – при четырех напряжениях: 3.5 В, 5 В, 7 В, 12 В.

Этот ряд выбран из следующих соображений:

  • 3.5 В – минимальное напряжение, вентилятор только начинает крутиться. Движение воздуха едва ощутимо.
  • 5 В – скорость потока можно оценить как 'заметная'.
  • 7 В – обдув довольно сильный.
  • 12 В – поток очень большой, как и шум. Используется для контроля и в нормальной работе неприменим.

У вентилятора в центре ‘слепое пятно’, поэтому исследуемая микросхема немного смещена к краю. Длина печатной платы показана условно.

При измерении температуры печатной платы стенд тот же, точки замера располагаются вдоль длинной и короткой сторон микросхемы из ее центра, с обратной стороны печатной платы (на картинке отмечено красной стрелкой).

При измерении параметров корпусов для транзисторов, печатная плата устанавливается вертикально с сохранением прежнего расстояния и асимметрии вентилятора.

Отдельно хочется уточнить вопрос о рассеиваемой мощности.

Для микросхем (транзисторов) может указываться довольно значительный диапазон мощности, подчас с явным конфликтом с разумностью, когда на микросхеме реально приготовить омлет. Давайте не будем впадать в крайности – если компонент перегревается сверх разумного, то нормального решения с системой охлаждения не предвидится. Поэтому выбиралось тепловыделение, свойственное типичному применению, и с учетом специфики сайта.

Для микросхем и транзисторов тестовая мощность составит 2.5 Вт, а под корпус D2PAK цифра будет увеличена в 2 раза, 5 Вт.

При необходимости сочленять разные компоненты, например, устанавливать радиаторы, использовалась термопаста КПТ-8, производитель ‘Пайка и монтаж’.

В ряде тестов требовалась прокладка с низкими тепловыми потерями, в качестве которой выступила теплопроводящая прокладка красного цвета толщиной 0.3 мм, остальные характеристики неизвестны.

При проведении измерений несколько датчиков температуры жестко закреплялись в исследуемых точках, и данные записывались по ним всем одновременно. Например, при замере эффективности радиатора при обдуве датчики были размещены на печатной плате и радиаторе, в дальнейшем менялось напряжение на вентиляторе и записывались показания по всем датчикам через интервал времени, достаточный для стабилизации показаний приборов.

Страницы материала
Виды упаковок (DPAK; LFPAK; DirectFET), немного теории, методика тестирования
Оценитe материал
рейтинг: 4.5 из 5
голосов: 59

Комментарии Правила



Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают