전자장치의 열 저하

전원 공급 장치는 모든 전자 기기의 핵심이지만 주변 부품들의 열 저하 없이 정상 작동하는 데 알맞은 온도를 알기는 어렵다.

설계 팀과 공급 업체 간의 의사 소통 부족으로 인해 예상 온도를 아는 것보다 온도가 얼마 여야 하는지 아는 것은 더 어렵다.

전자 산업은 경감 전략이 최적의 전자 장치를 설계하는 최선의 방법이 아니라는 것을 인식하고 있다. 경감 전략에 대한 광범위한 가정은 보수적이고 값 비싼 설계 또는 불충분한 신뢰성의 설계를 초래할 수 있다.

보다 효과적인 접근 방식은 시뮬레이션 및 물리 기반 분석을 사용하여 온도 저하에 민감한 부품의 신뢰성을 보장하는 것이다. 예를 들어, 엔지니어는 Ansys Icepak을 사용하여 열 시뮬레이션을 수행하고 Ansys Sherlock을 사용하여 이러한 시뮬레이션을 기반으로 물리 기반 신뢰성 분석을 제공할 수 있다.

자기의 열 저하

변압기 및 초크와 같은 자기는 설계 검토 중에 온도 문제가 발생할 때 자주 고려되지 않는다. 변압기는 일반적으로 맞춤 제작되기 때문에 대부분의 변압기에는 온도 등급이 없다.

그렇다면 자기가 너무 뜨거운 상태일 때를 어떻게 분간할까? 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 세 가지 주요 문제를 모두 해결할 수 있다.

첫 번째 문제는 페라이트 재료의 현재 포화 곡선이 재료가 포화되기 시작할 때 모호 해지는 경향이 있다는 것이다. 자성 물질을 포화시키면 자성이 손상되지는 않지만 누전이 발생해 회로가 고장 나는 것처럼 보인다.

두 번째 문제는 설계자가 자석의 최대 온도 등급을 퀴리 온도와 동일하다고 착각하는 경우가 있기 때문에 발생한다(자석의 특성이 약 100 ° C – 300 ° C 또는 212 ° F – 527 ° F에서 상당히 변함). 그러나 코어 손실(자기 변화)은 일반적으로 50 ° C – 100 ° C (122 ° F – 212 ° F) 사이의 온도에서 시작된다. 페라이트 설계, 구조 및 냉각에 따라 코어 온도가 코어 손실 범위에 도달하면 자석이 열 폭주 상태가 될 수 있다.

마지막으로, 열 노화는 분말 철 코어의 중요한 문제이다. 분말 철 코어는 페라이트 코어보다 비용이 저렴하고 때로는 더 적절하지만 고온에 장기간 노출되면 결합제의 열 노화를 유발할 수 있다. 열 노화가 진행됨에 따라 와전류 손실이 상당히 높아지는데 코어 손실이 증가하면 코어 온도가 높아지고 자성 부품이 고장난다.

LED와 옵토 커플러의 열 저하

시뮬레이션은 엔지니어가 열응력을 기반으로 전자 장치에 LED 배치를 최적화하는 데 도움을 준다.

LED는 전원 공급 장치에 통합될 때 표시기로 사용되기도 하지만 LED의 온도 민감도 때문에 까다로운 상황이 발생할 수 있다.

옵토 커플러(빛을 통해 정보를 전달하는 부품)에 LED를 사용할 때도 문제가 있기 때문에 주요 과제는 LED가 냉각 상태를 유지할 수 있는 옵토 커플러를 찾는 것이다.

전해 축전기의 열 저하

전해 축전기는 설계자가 온도와 관련하여 가장 염려해야 하는 구성 요소다. 이는 전해 축전기가 기능 작동을 위해 액체에 의존하기 때문이다. 따라서 이러한 부품의 수명은 액체 전해질의 점진적인 증발에 의해 제한된다.

이러한 전해질 손실은 축전 용량을 감소시키고 등가 직렬 저항을 증가시키기 때문에 모든 전해 축전기 제조업체는 정격 수명을 제공한다.

열에 대한 축전기의 민감도는 전해 축전기가 경험하는 온도를 결정하는 시뮬레이션과 같은 매우 정확한 도구의 중요성을 강조한다.

그럼에도 불구하고 대부분의 회사는 고전적인 Arrhenius 방정식을 사용하여 제조업체의 등급을 추정하는데 이 방정식은 복불복식으로 축전기의 수명에 대해 보수적인 예측을 개발한다.

또한 축전기의 실제 수명은 부품 매개 변수의 변화에 ​​대한 회로의 민감도에 따라 달라질 수 있으므로 제조업체는 실제 수명을 일반적으로 축전 용량의 20% 감소로 본다. 그러나 이 시점에서 등가 직렬 저항은 2배에서 5배까지 증가할 수 있다. 따라서 회로의 민감도에 따라 축전기가 고장 모드로 간주되기 전에 제품에 고장이 발생할 수 있다.

설계자가 고온 부품 근처에 전해 축전기를 배치할 때 축전기 전체에 불 균일한 온도 분포가 가속 저하를 유발하고 파열을 야기하는 압력 증가를 유발할 수 있으므로 표준 수명 방정식이 적용되지 않을 수도 있다.

세라믹 축전기의 열 저하

세라믹 축전기 제조업체는 축전기에 각각 두께가 감소된 유전체 층의 양을 늘려 제품의 전기 용량을 적극적으로 높였다.

그러나 전압은 축전기 유전체 층의 변화하는 두께를 따라갈 수 없었기 때문에 유전체 전체에 훨씬 더 높은 전기장이 발생했다.

가속화 된 테스트의 조합으로 40C (104F) 및 3.3VDC에서 작동하는 다양한 축전기 유형 (0603 / 10uF / 6.3V / X5R)이 10년 후 2%의 고장율을 보일 수 있음을 확인했다.

2%는 의미 있는 숫자는 아니지만 설계의 모든 축전기를 고려하면 시뮬레이션은 문제를 해결하기위한 좋은 투자이다.

필름 축전기의 열 저하

필름 축전기는 온도에 민감한 두 가지 메커니즘 중 하나에 의해 고장 날 수 있다.

• 부분 방전
• 부서지기 쉬운 유전체 재료

안타깝게도 두 가지 실패 메커니즘의 결과를 효과적으로 분리하는 공식은 없다. 축전기의 수명을 예측하는 일반적인 접근 방식은 표준 IEC 60384-16 내구성 테스트에서 추정하는 것이다. 그러나 시뮬레이션은 이러한 예측을 더 정확하게 한다.

필름 축전기의 수명은 전압 변화에 가장 민감하다. 설계자는 충분한 전압 경감이 대부분의 응용 제품의 수명을 연장할 수 있기 때문에 필름 축전기가 전해물이나 세라믹보다 약간 더 뜨거워지도록 허용한다.

집적 회로의 열 저하

엔지니어는 정해진 수명주기 동안 직접 회로가 마모되지 않도록 환경 조건의 영향을 살펴봐야한다.

주로 마모를 유발하는 서브미크론 프로세스가 문제인데, 시스템 성능 저하의 위험을 완화하려면 고장 메커니즘 및 장치 신뢰성에 영향을 미치는 열 효과를 분석하는 기능이 필요하다.

엔지니어는 신뢰성 물리학 분석, 시뮬레이션 및 고장 메커니즘 모델을 사용하여 집적 회로를 평가할 수 있다.

납땜 이음의 열 저하

납땜 이음은 부품, 기판 또는 보드 사이에 전기, 열 및 기계적 연결을 제공한다.

온도 변화가 발생하면 부품과 기판이 다른 속도로 확장되거나 수축되어 납땜 이음 부분이 전단 하중을 받게 된다.

이 응력은 대체적으로 납땜 이음의 강도보다 훨씬 낮다.

그러나 온도 변화에 반복적으로 노출되면 큰 규모의 납땜 부분이 손상될 수 있다. 시뮬레이션을 사용하여 각각 추가되는 온도주기가 손상을 축적하여 균열 및 궁극적인 고장을 일으키는 방법을 모델링 할 수 있다.

열역학적 피로로 인한 납땜 이음의 고장은 전자 제품의 주요 마모 메커니즘 중 하나다. 부적절한 설계, 재료 선택 및 환경으로 인해 상대적으로 고장 시간이 짧을 수 있기 때문이다.

열 저하에 대한 해결책 찾기

열 저하가 문제라는 것은 분명하지만 전원 공급 장치 엔지니어는 효과적인 도구가 없기 때문에 문제를 해결하는 데 어려움을 겪는다.

실행 가능한 접근 방식은 신뢰성 물리학 분석 및 시뮬레이션을 활용하는 것이다. 시뮬레이션을 통해 성능 저하 동작을 예측할 수 있으므로 엔지니어는 트레이드 오프 분석을 수행할 수 있다. 이러한 트레이드 오프 분석은 엔지니어가 전자 제품의 환경, 재료 및 아키텍처를 최적화하는 데 도움이 된다.

엔지니어는 이 정보를 사용하여 전원 공급 장치의 열 성능을 정확하게 예측할 수도 있다.

Ansys Sherlock Automated Design Analysis 소프트웨어는 전원 공급 장치 엔지니어가 부품이 너무 뜨거울 때를 알려준다. 표준 설계 정보를 포괄적인 임베디드 데이터베이스와 결합하여 이러한 복잡한 계산을 수행하는 데 필요한 값을 제공한다.

Sherlock의 간소화된 소프트웨어 아키텍처는 위와 같은 결과를 완료하고 표시하는 데 필요한 수천 개의 계산을 몇 분 안에 완료할 수 있게 한다. 가장 중요한 것은 물리적 프로토타이핑 이전에 설계 팀이 분석을 수행할 수 있어서 예산과 출시 시간이 단축된다는 것이다.

출처 : Ansys Thermal Degradation of Electronics: How Hot is Too Hot?