In der Datenkommunikation und Telekommunikation besteht ein stetig wachsender Bedarf an mehr Leistung. Insbesondere Rechenzentren, Cloud- und 5G-Anwendungen stellen erhöhte Anforderungen an Leistungsmodule, die zudem häufig auf immer kleinerem Raum untergebracht werden müssen.
Mehr Leistung bedeutet natürlich auch mehr Wärme.
Für Entwicklungsingenieure bedeutet dies, dass sie sich mehr denn je mit dem Wärmemanagement auseinandersetzen und ein detaillierteres Verständnis der thermischen Leistung ihrer Systeme erlangen müssen. Um eine Überhitzung der Leistungsmodule zu verhindern, benötigen sie möglicherweise komplexere Wärmemanagementmechanismen wie Flüssigkeitskühlung und Heatpipes, anstatt sich lediglich auf die Kühlung der Module mit einem Lüfter zu verlassen.
Bei Flex Power Modules bedeutet dies, dass wir immer mehr Anfragen erhalten, immer ausgefeiltere Werkzeuge bereitzustellen, die unseren Kunden helfen, die thermische Leistung einzelner Komponenten zu modellieren, und nicht nur die des gesamten Systems.
Bedeutung von Leistungsreduzierungskurven
Leistungsreduzierungskurven sind eine gängige Kennzahl, die von unseren Kunden verwendet wird. Schließlich ist die Leistungsfähigkeit von Wandlern durch ihre maximale Betriebstemperatur begrenzt, und die innerhalb dieser Grenze erreichbare Ausgangsleistung hängt von der Umgebungsluft- und Systemtemperatur sowie vom Luftstrom ab.
Zur Bestimmung dieser Grenzen verwendeten Ingenieure traditionell Leistungsreduzierungskurven. Diese Kurven zeigen die Leistung, die bei einer bestimmten Umgebungslufttemperatur erreicht werden kann, ohne die maximal zulässige Betriebstemperatur zu überschreiten. Typische Diagramme zeigen mehrere Kurven, die verdeutlichen, wie sich der Luftstrom bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf die Leistungsreduzierung auswirkt (siehe unten).
Diese Leistungsdiagramme können hilfreich sein und erleichtern den Vergleich verschiedener Systeme.
Die Standard-Derating-Kurve lässt sich jedoch verbessern, und wir haben begonnen, unseren Kunden die Möglichkeit zu bieten, mit dem Flex Power Designer die Verlustleistung und die Wirkungsgradkennlinien eines bestimmten Moduls in Abhängigkeit von Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder Temperatur grafisch darzustellen. Dies ist ein besonders nützlicher Satz von Kennzahlen für Hochleistungsmodule, und das FPD-Tool bietet Kunden hervorragende Flexibilität, um bei Bedarf erweiterte thermische Messungen durchzuführen.
Die Derating-Kurve basiert auf einer Analyse der Umgebungstemperatur. Sie zeigt nicht das Verhalten einzelner Komponenten wie des DC/DC-Wandlers oder des Kühlkörpers und gibt daher keinen Aufschluss darüber, wie die Leistung der Module durch den verwendeten Prüfstand beeinflusst wird.
Neue Grafiken zeigen mehr Daten
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat Flex Power Modules ein neues Verfahren entwickelt, das die thermische Leistung in dreiachsigen Derating-Diagrammen darstellt (siehe unten). Wir verwenden diese Diagramme nun auch in den Datenblättern neuer Produkte, um detailliertere Informationen zur thermischen Leistung eines Geräts bereitzustellen. Dies ist insbesondere für das fortschrittliche Wärmemanagement von Hochleistungsgeräten von großem Nutzen.
Um das Diagramm zu erstellen, analysieren wir das Verhalten des Wandlers an vordefinierten Testpunkten. Dabei variieren wir die Umgebungstemperatur der Pins (X-Achse) und die Temperatur der Grundplatte (Z-Achse). Für jeden dieser Testpunkte passen wir die Last so lange an, bis ein Temperatursensor am Wandler seinen maximal zulässigen Messwert erreicht. Im stabilen Zustand gibt dieser Wert an, welche Ausgangsleistung der Wandler unter diesen Bedingungen liefern kann.
Sobald diese Punkte eingetragen sind, erhalten wir ein 3-Achsen-Diagramm, wie abgebildet. Die farbigen Bänder im Diagramm zeigen Bereiche der Ausgangsleistung an, wie in der Legende am unteren Rand des Diagramms angegeben.
Diese neuen 3-Achsen-Diagramme ermöglichen es Ingenieuren, die Systemleistung detaillierter zu analysieren und das Verhalten einzelner Komponenten zu modellieren, um die maximale Leistung unter bestimmten Betriebsbedingungen zu ermitteln. Dies erlaubt eine noch umfassendere Kühlkörperanalyse. Weiß ein Entwickler beispielsweise, dass die Pin-Temperatur in seinem System 80 °C nicht übersteigt und die maximale Temperatur der Grundplatte 85 °C beträgt, kann er anhand des obigen Diagramms die maximale Ausgangsleistung des Wandlers auf der Z-Achse ablesen.
FloTHERM-Wärmesimulation
Die Leistungsreduzierungsdiagramme sind selbstverständlich nur ein weiteres Werkzeug, mit dem Ingenieure das thermische Verhalten ihres Systems verstehen können. Darüber hinaus bieten wir jetzt thermische Modellierungsfunktionen für Komponenten in unserer Software Flex Power Designer an. Wir stellen außerdem detaillierte, editierbare thermische Modelle für alle unsere neuen Produkte zur Verwendung in der FloTHERM-Software von Mentor bereit. Durch die Integration dieser Modelle erhalten unsere Kunden eine umfassendere thermische Lösung und profitieren von einer präzisen, schnellen und komfortablen thermischen Analyse.
Sehen Sie sich unser aktuelles Webinar an.
Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Flex-Leistungsmodule Sie bei der Systemkühlung unterstützen können? Am 18. März 2021 veranstalteten wir ein Webinar, das einen Überblick über unsere Leistungen im Bereich Wärmemanagement bot. Es enthielt Informationen zu unseren neuen 3-Achsen-Diagrammen zur thermischen Leistungsreduzierung sowie weitere Modellierungsinformationen. Flex Power Designer GUI sowie Informationen über die FloTHERM Modelle, die wir anbieten.
Wenn Sie mehr Einblicke gewinnen möchten, können Sie sich unsere Designhinweis zur thermischen Charakterisierung von Flex Leistungsmodulen.