Chłodzenie odbiorników zasilania bezprzewodowego

Autor: Tony Antonacci, inżynier ds. systemów, Texas Instruments Przegląd Obecny rynek energochłonnych urządzeń przenośnych wymaga od inżynierów poszukiwania alternatywnych sposobów szybkiego i bezproblemowego ładowania wbudowanych baterii. Dzięki zastosowaniu standardów Wireless Power Consortium oraz Qi zasilanie indukcyjne stało się opłacalną funkcją. Urządzenia charakteryzują się jednak obostrzeniami termicznymi. Ogranicza to straty na stopniach mocy odbiorników zasilania bezprzewodowego. Przekłada się to na zmniejszenie prądów ładowania na wyjściu modułu zasilania bezprzewodowego, co ogranicza straty, jednak wydłuża czas ładowania. W niniejszym artykule opisano wyniki badań nad różnymi technikami optymalizacji termicznej wbudowanych w komorach baterii płytek drukowanych odbiorników zasilania bezprzewodowego zgodnych ze standardem Qi. Ponadto w artykule omówiono wytyczne projektowe, zalety i wady rozwiązań oraz docelowe parametry optymalizacji termicznej, które umożliwiają uzyskanie maksymalnych prądów ładowania. Parametry termiczne W artykule występują trzy następujące parametry termiczne: 1. Wydajność termiczna układu scalonego obwodu zasilania oznacza wzrost temperatury względem temperatury otoczenia, zmierzony na obudowie układu scalonego przy określonym prądzie ładowania. 2. Wydajność termiczna płytki drukowanej obwodu zasilania oznacza wzrost temperatury względem temperatury otoczenia, zmierzony w wybranym miejscu płytki drukowanej. 3. Wydajność termiczna urządzenia przenośnego oznacza wzrost temperatury względem temperatury otoczenia, zmierzony w miejscu najczęstszego dotyku (na powierzchni zewnętrznej). Kolejność parametrów odzwierciedla ich bezwzględny spadek temperatur. Oznacza to, że parametr 1 będzie charakteryzował się zawsze wyższą temperaturą niż parametry 2 i 3. Taki układ powoduje występowanie gradientów (różnic) temperatur między poszczególnymi parametrami. W celu zapewnienia jak najlepszej wydajności termicznej należy kontrolować gradienty temperatur oraz bezwzględny wzrost temperatur. Należy pamiętać, że parametr 3 jest najważniejszy z punktu widzenia użytkownika, lecz konstruktor urządzenia powinien pamiętać o wszystkich trzech parametrach. Zalety i wady rozwiązań termicznych w różnych architekturach Akcesoria do zasilania bezprzewodowego wymagają zastosowania architektury, w której układ elektroniczny sterujący zasilaniem jest odseparowany od urządzenia przenośnego i znajduje się np. w komorze baterii [1]. Pozwala to odizolować płytkę drukowaną przetwornika zasilania bezprzewodowego od głównej płytki drukowanej urządzenia przenośnego i zapewnić autonomiczne środowisko termiczne. Ogólnie rzecz biorąc, rozmiary tej osobnej płytki drukowanej są ograniczone płaską i cienką obudową, co znacznie zmniejsza wydajność cieplną. Należy pamiętać, że gradient pomiędzy parametrami 1 i 3 dla akcesoriów jest przeważnie mniejszy w porównaniu z innymi architekturami. Oznacza to, ze bezwzględny wzrost temperatury na obudowie układu scalonego obwodu zasilania jest bardziej odczuwalny w miejscu dotyku przez użytkownika, co jest czynnikiem niepożądanym. W przypadku innych architektur, takich jak akumulatory do ładowania bezprzewodowego, także występują problemy z wydajnością termiczną ze względu na ograniczenia rozmiaru płytki drukowanej. Jednak w przypadku akumulatorów występuje przeważnie większy gradient między parametrami 1 i 3. Z tego względu głównym problemem jest wzrost temperatury w komorze baterii, a nie w miejscu dotyku urządzenia przenośnego przez użytkownika (parametr 3). Ponieważ większość układów scalonych ładowarek jest wyposażonych w funkcję regulacji temperatury realizowaną przez opornik z ujemnym (NTC) lub dodatnim (PTC) współczynnikiem temperaturowym, może ona być realizowana w łatwy sposób przez układ scalony ładowarki. Inną architekturą do potencjalnego wbudowania jest elektronika ładowania bezprzewodowego znajdująca się na płytce drukowanej urządzenia przenośnego. Jak zobaczą Państwo na końcu tego artykułu, jest to optymalna architektura zapewniająca wydajność termiczną, lecz jej wdrożenie rynkowe może być okupione dodatkowymi kosztami urządzeń przenośnych. Ograniczenie to powoduje, że producenci skłaniają się raczej w kierunku zapewnienia niższych kosztów akcesoriów lub modułów niż wyboru optymalnej architektury zapewniającej wysoką wydajność termiczną. Technologie te mogą być wykorzystywane we wszystkich wspomnianych wcześniej architekturach. Obecnie działania producentów akcesoriów są ukierunkowane na rozwiązania wykorzystujące istniejące architektury, jednak w najbliższym czasie będzie trzeba zweryfikować ich zalety i wady pod względem zapewniania odpowiednich właściwości termicznych. Wytyczne dotyczące projektowania płytek drukowanych w celu zapewnienia optymalnej wydajności termicznej Konstrukcja układów krzemowych przez cały czas rozwija się i zapewnia wysoki stopień zintegrowania, umożliwiając montaż układów zasilania bezprzewodowego na powierzchni wynoszącej zaledwie 75 mm2 [2]. Należy jednak brać pod uwagę relację pomiędzy obniżeniem wydajności termicznej a rozmiarem płytki drukowanej. Rysunek 1 przedstawia model relacji parametrów termicznych rozmiaru płytki drukowanej w funkcji wzrostu temperatury obudowy układu scalonego przy założeniu stałego rozpraszania energii wewnątrz układu scalonego. © Texas Instruments Rysunek 1. Wzrost temperatury obudowy względem powierzchni płytki drukowanej przy stałym rozpraszaniu energii. Należy zwrócić uwagę na przebieg wykresu. Jego wartości bezwzględne mają drugorzędne znaczenie. Zwróćmy uwagę, w jaki sposób zmniejszenie powierzchni płytki drukowanej powoduje wykładniczy wzrost temperatury obudowy układu scalonego (parametr 1). Ze względu na gradient między temperaturą obudowy układu scalonego a miejscem dotyku urządzenia przez użytkownika (różnica między parametrami 1 i 3) parametr 3 wzrasta proporcjonalnie do wydajności parametru 1. Sprawia to, że wydajność termiczna rozwiązania do ładowania bezprzewodowego jest od początku ograniczona rozmiarem płytki drukowanej. Oprócz rozmiaru płytki, na wydajność termiczną (parametr 2) płytki drukowanej mogą mieć także wpływ różnice następujących parametrów konstrukcyjnych płytki drukowanej: 1. masa miedzi, 2. liczba warstw, 3. miedziana powierzchnia bazowa płytki oraz liczba połączeń pośrednich. Wydajność termiczna płytki drukowanej może być traktowana jako radiator, w którym przewodność cieplna oraz powierzchnia emisji ciepła wpływa w bezpośredni sposób na wydajność. Zwiększenie parametrów konstrukcyjnych 1 i 2 ma bezpośredni wpływ na zwiększenie wydajności cieplnej przy stałej powierzchni płytki drukowanej (Rysunek 2). Teraz przyjrzymy się konstrukcjom z zastosowaniem około 50 gramów miedzi między dwu- i czterowarstwową płytką drukowaną z zastrzeżeniem, że warstwy dodatkowe są warstwami bazowymi. Temperatura obudowy układu scalonego w płytce czterowarstwowej jest o 12°C niższa w porównaniu z płytką dwuwarstwową przy identycznym prądzie ładowania (jednakowym rozpraszaniu energii w układzie scalonym). Zaobserwowano większą wydajność termiczną oraz gradient pomiędzy temperaturą obudowy układu scalonego a temperaturą na krawędzi płytki drukowanej (różnicę między parametrami 2 i 3). W przypadku czterowarstwowej płytki drukowanej wystąpiła różnica 8°C, natomiast w przypadku płytki dwuwarstwowej wystąpiła różnica 20°C. Z tego względu po zwiększeniu powierzchni za pomocą około 50 gramów miedzi uzyskano większą przewodność cieplną. © Texas Instruments Rysunek 2. Porównanie cztero- i dwuwarstwowej płytki drukowanej przy identycznym rozpraszaniu energii. Z porównania wynika, że użycie warstwy bazowej do odprowadzania ciepła oraz dodatkowych warstw miedzianych powoduje zwiększenie wydajności cieplnej. Jest to związane z maksymalizacją parametru konstrukcyjnego 3 płytki drukowanej (miedziana powierzchnia bazowa płytki oraz liczba połączeń pośrednich). Dodanie dwóch wewnętrznych warstw bazowych powoduje zwiększenie ogólnej powierzchni ścieżek oraz zwiększenie przewodności cieplnej na całej powierzchni płytki drukowanej. W celu zmaksymalizowania tego efektu należy zastosować połączenia pośrednie między warstwami bazowymi. Należy zoptymalizować połączenia pośrednie w dwóch kluczowych miejscach płytki drukowanej: 1) w pobliżu styków bazowych układu scalonego oraz płytki przewodzącej oraz 2) na nadlewkach warstwy bazowej (dużych powierzchniach miedzianych). W celu zoptymalizowania odprowadzania ciepła z układu scalonego do warstwy bazowej należy zastosować gęstą sieć połączeń pośrednich w pobliżu styków bazowych układu scalonego. Wokół miedzianych nadlewek warstwy bazowej powinno znajdować się wiele połączeń pośrednich, lecz nie jest wymagane ich wysokie zagęszczenie. Wzięcie pod uwagę tych wytycznych powinno umożliwić uzyskanie dodatkowych 2–3°C w przypadku temperatury obudowy układu scalonego. Wpływ obudów układów scalonych na wydajność cieplną Obecnie stosowane układy scalone obwodów do ładowania bezprzewodowego są dostępne w dwóch najpopularniejszych wersjach obudów: WCSP (Wafer Chip Scale Packaging) oraz QFN (Quad Flat No-lead) [2]. Obudowy WCSP charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, natomiast obudowy QFN mają doskonałą wydajność cieplną. Zanim przedstawimy przykład, zostaną omówione cechy konstrukcyjne obydwu rodzajów obudów oraz ich wady i zalety pod względem wydajności termicznej. W technologii WCSP wykorzystuje się montaż typu flip chip, w którym układ elektroniczny jest podłączony do płytki drukowanej odwrotną stroną (częścią krzemową skierowaną w górę). Połączenia elektryczne z płytką drukowaną są poprowadzone bezpośrednio z płytki do powierzchni układu za pomocą lutów, dzięki czemu uzyskuje się połączenia o dużej gęstości. W przypadku montażu QFN wykorzystuje się mechaniczną ołowianą ramę, natomiast styki są połączone z powierzchnią układu za pomocą przewodów wewnętrznych. Różnica w technologii obudowy decyduje o tym, że montaż WCSP zapewnia mniejsze rozmiary układu. Różnice w wydajności cieplnej obydwu obudów (z zastosowaniem identycznego układu) nie są już tak jednoznaczne. Można je łatwiej zrozumieć, przyjmując wcześniej omówione założenia, takie jak maksymalizacja powierzchni rozpraszającej ciepło. Obudowa QFN jest wyposażona w płytkę przewodzącą. Jest to powierzchnia przewodząca ciepło, która może służyć jako połączenie części układu scalonego z warstwą bazową. Układ jest połączony z płytką przewodzącą za pośrednictwem specjalnej pasty. Pasta może mieć właściwości przewodzące, co umożliwia zwiększenie przewodności cieplnej pomiędzy dwiema powierzchniami. Dzięki takiemu połączeniu uzyskuje się większą powierzchnię przewodzącą ciepło oraz zwiększenie stopnia przewodzenia ciepła ze źródła ciepła do warstwy bazowej. Ponieważ w przypadku obudowy WCSP stosuje się montaż flip-chip, w którym układ jest skierowany od płytki drukowanej, nie można zastosować odprowadzania ciepła ścieżkami miedzianymi tak skutecznie jak w przypadku płytki przewodzącej w technologii QFN. Należy pamiętać, że w celu optymalnego zastosowania płytki przewodzącej należy umieścić pod nią wiele połączeń pośrednich [3]. W celu zilustrowania takiego podejścia zbadaliśmy dwa duże moduły ewaluacyjne EVM [4]. Pierwszy z nich jest wyposażony w układ w obudowie WCSP, natomiast w drugim znajduje się układ w obudowie QFN. Na rysunku 1 większa powierzchnia płytki drukowanej wykazuje nasycenie pod względem temperatury obudowy układu scalonego i ma za zadanie zaobserwowanie zmiennego parametru powierzchni płytki drukowanej podczas badania. Pozostałe parametry konstrukcyjne płytki drukowanej (liczba warstw, masa miedzi itp.) w obydwu modułach ewaluacyjnych są stałe, co zapewnia zaobserwowanie odchyleń wydajności cieplnej obudów. Rysunek 3 ilustruje przebieg temperatur obudów QFN i WCSP w funkcji prądu ładowania. © Texas Instruments Rysunek 3. Wzrost temperatury układu scalonego w funkcji prądu ładowania dla płytek drukowanych z układami w obudowach WCSP i QFN. Skuteczność cienkich radiatorów W module zasilania bezprzewodowego płytka drukowana jest zwykle umieszczona w tej samej płaskiej przestrzeni co cewka odbiornika. Oznacza to, że płytka drukowana nie może wystawać poza cewkę ze względu na ograniczoną grubość. Powoduje to zmniejszenie przestrzeni na rozpraszanie ciepła, która mogłaby być także wykorzystana w inny sposób. Zamiast zwiększać grubość można zastosować cienki radiator (wykonany z taśmy o grubości 0,1 mm) pod powierzchnią płytki drukowanej, który może wystawać poza ekran cewki. Wyniki eksperymentalnego zastosowania takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 4. Zastosowanie aluminiowego radiatora powoduje zmniejszenie temperatury obudowy o 16°C (parametr 1). Należy pamiętać, że metalowy radiator nie może wystawać poza ekran w celu uniemożliwienia powstawania strumienia magnetycznego podczas ładowania bezprzewodowego pomiędzy miejscem styku a ferromagnetykiem. Mogłoby to powodować powstawanie prądów wirowych oraz nadmiernego ciepła, co jest niepożądane. Użycie pasty termoprzewodzącej między płytką drukowaną a materiałem radiatora zapewnia optymalny kontakt ze źródłem ciepła (podobnie jak w przypadku obudowy QFN). © Texas Instruments Rysunek 4. Efekt dodania cienkiego radiatora między płytką drukowaną a układem cewki odbiornika. Wnioski Zasilanie bezprzewodowe jest skutecznym i wygodnym sposobem ładowania nowoczesnych urządzeń przenośnych. Chłodzenie takiego układu nie zawsze jest prostą sprawą. Dzięki trzem opisanym powyżej parametrom podstawowym konstruktorzy urządzeń mogą identyfikować i oceniać wydajność różnych technik odprowadzania ciepła. Wprawdzie technologie te nie zawsze uda się zastosować w pożądany sposób, jednak należy pamiętać o maksymalizacji pewnych zasad. Na przykład konstruktor może założyć maksymalne zmniejszenie rozmiarów płytki drukowanej w celu uatrakcyjnienia nowoczesnych, zintegrowanych urządzeń. Konsekwencją takiego założenia jest pogorszenie wydajności cieplnej. Przy niezmiennym rozmiarze płytki drukowanej należy rozważyć zmianę pozostałych parametrów konstrukcyjnych, takich jak masa miedzi czy użycie wielu warstw bazowych, co umożliwi uzyskanie kompromisu między kosztami a parametrami. Wzrost temperatury można pogodzić z grubością urządzenia, stosując cienki, metalowy radiator. W wyniku zastosowania takich technologii można uzyskać parametry ładowania bezprzewodowego porównywalne lub lepsze niż w przypadku ładowania przewodowego. Po osiągnięciu takich parametrów klienci otrzymają produkt, który wprowadzi nowoczesne urządzenia w kolejny etap dostarczania do nich energii. Odnośniki 1. Tony Antonacci, Stephen Terry. „Take charge when creating a Qi-compliant wireless power accessory”, Electronic Design, 12 września 2011. 2. Karta katalogowa (do pobrania) produktu bq51013A. 3. „Załącznik QFN/SON PCB” — raport zastosowania (SLUA271A), Texas Instruments, czerwiec 2002 r. ze zmianami z września 2007 r.. 4. Więcej informacji o modułach ewaluacyjnych EVM: a. bq51013aevm-764 (WSCP) b. bq51013aevm-765 (QFN) Informacje dodatkowe • „System Description Wireless Power Transfer, Vol. 1, Part 1, Version 1.0,” Wireless Power Consortium • Więcej informacji o rozwiązaniach TI do ładowania bezprzewodowego: www.ti.com/wirelesspower-ca. O autorze: Tony Antonacci jest inżynierem ds. systemów, który pracuje w firmie Texas Instruments nad rozwiązaniami systemowymi oraz koncepcjami rozwiązań do zasilania baterii. Stopnie BSEE i MSEE uzyskał na Uniwersytecie stanu Tennessee w Knoxville. Obecnie Tony Antonacci ma dwa oczekujące patenty w dziedzinie zastosowań efektu Halla oraz bezprzewodowego przekazywania energii. Można skontaktować się z nim pod adresem ti_tonyantonacci@list.ti.com.