Los ingenieros de diseño están constantemente el reto de mantener el ritmo de la evolución de la industria electrónica. En particular, el crecimiento y la densidad de contenidos electrónicos de automoción, electrónica de consumo industriales y aplicaciones de telecomunicaciones ha sido vertiginoso. Los procesos de fabricación también han evolucionado como consecuencia de la miniaturización de componentes y una mayor potencia, mayor temperatura de aplicaciones, donde la tecnología de montaje superficial ha sustituido en gran medida a través de hoyos de la tecnología.
El crecimiento continuo de la electrónica de potencia en nuestros hogares, oficinas y vehículos está generando una tendencia hacia los nuevos materiales y componentes de energía más eficiente. De alta potencia, aplicaciones de alta temperatura a cabo una mayor demanda de sistemas electrónicos de potencia, aumentando la posibilidad de graves problemas térmicos cuando los componentes fallan debido a la exposición prolongada a ambientes hostiles. Como resultado, la mayoría de equipos industriales y de consumo ahora incorpora dispositivos de protección térmica para mejorar la fiabilidad y seguridad.
Cuando se diseña para la gestión térmica, el calor generado por cargas inductivas y resistivas, los condensadores eléctricos, conductores de corriente, interruptores, relés y los MOSFETs actuales, someten a los ingenieros a importantes desafíos. Estos componentes generadores de calor se encuentran en aplicaciones tales como las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), de alta tensión de energía y aplicaciones de conmutación para motores de tracción de trenes y vehículos híbridos.
Mejorar el rendimiento de los componentes de potencia, utilizando técnicas de diseño que se propagan de manera más uniforme el calor y la incorporación de nuevos materiales de disipación de calo,r son algunas de las soluciones que se han utilizado para mejorar la gestión térmica. Sin embargo, muchos diseñadores en la actualidad se basan en la protección secundaria para ayudar a prevenir daños causados por eventos fuera de control térmico, que pueden ocurrir como resultado de fallas en los componentes o la calefacción a la corrosión inducida.
Una serie de tecnologías innovadoras pueden ayudar a proteger la aplicación y el usuario final de los eventos térmicos, interrumpiendo el flujo de corriente eléctrica cuando un componente de alimentación se calienta hasta su temperatura nominal específicos sobre el viaje. El enfoque más común es el uso de un fusible térmico / corte (TCO) o un interruptor térmico. Ambos proporcionan características específicas de temperatura y la activación de la CA y las aplicaciones de CC y se puede especificar como atornillado en, clip-on, pig-tail o configuraciones de tipos de plomo. Sin embargo, estos dispositivos pueden complicar el diseño y los procesos de fabricación y requieren de procedimientos de manipulación cuidadosa para garantizar que el dispositivo de protección no se dañe durante el montaje.
Porque los PCB, cada vez más utilizan componentes que en la superficie de montaje del dispositivo (SMD), utilizando un dispositivo a través de hoyos se puede traducir en especial los procedimientos de montaje y un mayor costo. Además, los dispositivos estándar no pueden proporcionar la robustez y fiabilidad necesarias para aplicaciones industriales, mientras que los componentes que están calificados para los entornos industriales y de automoción están completamente probados para satisfacer estrictos de choque y vibración, y para proporcionar las calificaciones de CC adecuada.
Un nuevo componente de montaje superficial, la protección térmica reflowable (RTP) del dispositivo, ayuda a prevenir el daño térmico provocado por la electrónica de potencia no. El dispositivo ayuda a proteger contra los daños causados por cortocircuitos de resistencia que pueden producir temperaturas excesivamente elevados a través de I 2 R de calefacción, así como es difícil a corto plazo, las condiciones de sobrecarga. El dispositivo puede ser instalado utilizando estándar de procesos sin plomo de reflujo y se puede utilizar para reemplazar power FETs redundante, relés y el calor pesado se hunde normalmente se utiliza en los diseños industriales y de automoción.
Protección secundaria para powerFETS
Aunque powerFETs son cada vez más robusta, que son propensos a las averías que pueden ocurrir muy rápidamente si sus calificaciones se superan. Si la tensión máxima de funcionamiento de un powerFET se supera, se entra en ruptura por avalancha. Si la energía contenida en la sobretensión transitoria es por encima del nivel avalancha de energía nominal del dispositivo fallará, causando una destrucción térmica que puede resultar del consumo de tabaco, llama o desoldar.
PowerFETs industriales y de automoción se ha demostrado que son más propensos a la fatiga y la insuficiencia de los dispositivos que se instalan en aplicaciones menos exigentes. Al comparar las tasas de fracaso powerFET lo largo del tiempo, los dispositivos utilizados en entornos duros muestran una mayor partes por millón de las tasas de fracaso.Después de cinco años en el campo de la diferencia puede ser más que un factor de 10.
Aunque un powerFET puede pasar la prueba inicial, se ha demostrado que, dadas ciertas condiciones, al azar los puntos débiles del dispositivo puede resultar en una falla de campo. Incluso en situaciones en las que powerFET está funcionando dentro de las condiciones de operación especificadas, pantalones cortos de resistencia aleatoria e impredecible en diferentes valores de resistencia han sido reportados.
El fallo del modo de resistencia es de particular interés, no sólo para el powerFET sino por el PCB. Tan sólo 10W puede generar un punto localizado en caliente de más de 180 ° C, muy por encima de la temperatura de la típica PCB de transición vítrea de 135 ° C, lo que puede conducir al daño de la estructura de epoxy de la junta, así como un evento térmico.
La Figura 1 describe un escenario donde un powerFET no no puede generar una condición de sobrecorriente difícil a corto plazo, sino más bien una resistencia a corto, por lo tanto producir temperaturas peligrosas a través de I 2 R calefacción. En este caso, la corriente resultante puede no ser lo suficientemente alta como para fundir un fusible estándar y dejar de inestabilidad térmica en el PCB.
Figura 1: fallo en el modo de PowerFET resistencia puede conducir a la inseguridad en las condiciones de temperatura.
Recomendaciones de la Junta de diseño para el acoplamiento térmico óptimo se muestra en la Figura 3, y son los siguientes:
- Plataforma de PTH dispositivo de RTP debe ser colocado lo más cerca posible del disipador de calor powerFET como sea posible.
- Conectar el pad de PTH al disipador de calor con powerFET como espesor y un rastro de cobre como sea posible.
- Capas adicionales de cobre no deben ser colocados directamente debajo de la almohadilla de la PTH y, si es posible, sacar las capas adicionales de cobre de distancia desde la plataforma de PTH del dispositivo de RTP. Estas capas de cobre adicional de trabajo para sacar el calor de la RTP y disminuir su sensibilidad térmica.
- Tire de la capa superior de "enfriamiento" huellas tan lejos de la almohadilla PTH dispositivo de RTP como sea posible.
En un diseño de metal aislada del sustrato de diseño (IMS), la flexibilidad es mucho mayor, como la propagación térmica se mejora. En los diseños de alta potencia, alta densidad, el dispositivo de RTP se pueden colocar hasta 10 cm de la etapa de potencia, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4: recomendaciones de la Junta de diseño para sustrato IMS.
La Figura 5 muestra el rendimiento del dispositivo RTP en una estructura de IMS con la colocación de 10 cm de la powerFET. El gradiente térmico entre la powerFET fallado y el dispositivo de RTP es de unos 40 ° C, aunque con una distancia de 10cm entre los dos componentes.
Figura 5: RTP rendimiento en la estructura de IMS.
Resumen
El dispositivo de RTP ayuda a cumplir con los requisitos de fiabilidad de los sistemas automotrices de la electrónica de potencia, tales como aplicaciones de ventilador de refrigeración, ABS, dirección asistida módulos, convertidores DC / DC y los calentadores de PTC. El dispositivo también ayuda a proteger los componentes de potencia en los servidores de TI, el poder de las telecomunicaciones, sistemas de iluminación LED y la electrónica del aparato.
El SMD puede ser instalado fácil y rápidamente utilizando las normas del equipo pick-and-place y sin plomo de reflujo, y puede soportar múltiples pases de reflujo con temperaturas máximas que supera ya los 200 ° C y, sin embargo, en el campo, se abrirá si detecta una temperatura superior a 200 ° C.
Sensibilidad térmica del dispositivo es beneficioso, ya que, en algunos casos, no los componentes de potencia no puede generar un corto circuito en circuito sobrecorriente, sino que puede crear un poco de resistencia que no se puede abrir por un fusible tradicional. Este tipo de evento puede realmente reducir la carga actual, pero todavía puede dar lugar a condiciones inseguras de escapes térmicos. El dispositivo de RTP ayuda a prevenir daños causados por los muertos de corto circuito y resistencia en condiciones de cortocircuito.
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