Предельная и допустимая мощности
Как видно из формулы (5.46), передаваемая по линии мощность Рср пропорциональна Е02, т.е. чем больше Рср, тем больше максимальное значение напряженности электрического поля. Поэтому при увеличении передаваемой мощности в направляющей системе может возникнуть электрический разряд, т.е. наступит электрический пробой воздуха или диэлектрического заполнения. Плотность тока проводимости в разрядном промежутке достигает относительно больших значений (15 А/см2 и более), что приводит к интенсивному выделению тепла и резкому повышению температуры в месте пробоя. Кроме того, активное сопротивление разрядного промежутка ввиду значительной плотности электронов в нем (до 1015 электрон/см3) мало, и пробой вызывает почти полное короткое замыкание линии передачи в том сечении, где происходит разряд. Поступление мощности в нагрузку практически прекращается, так как большая часть энергии падающей волны отражается от места, где произошел пробой. Это может привести, например, к выходу из строя генератора, либо к другим нежелательным эффектам.
Увеличение уровня передаваемой средней мощности по реальной линии передачи приводит к увеличению мощности потерь в металлических элементах линии и заполняющем диэлектрике, что сопровождается нагревом последних. Если при этом нагреве температура любого материала, из которого изготовлена линия, достигает некоторой предельной величины, происходит его разрушение (например, расплавление диэлектрика) и наступает так называемый тепловой пробой. Поэтому максимальное значение передаваемой по линии мощности ограничено как электрическим, так и тепловым пробоем.
Для определения максимальной передаваемой по линии мощности вводят понятия предельной и допустимой мощностей. Предельной мощностью (Рпред) называют наименьшую мощность, при которой возникает либо электрический, либо тепловой пробой в режиме бегущей волны (см. юниту 3). Допустимую мощность (Рдоп) принимают в несколько раз меньше предельной: Рдоп= (0,2. 0,3) Рпред. Это связано с тем, что появление отраженных волн в реальной линии (см. юниту 3) приводит к увеличению напряженности электрического поля в отдельных сечениях линии, что может привести к электрическому или тепловому пробою при мощности существенно меньшей Рпред.
Величина Рпред, связанная с электрическим пробоем, определяется предельной напряженностью электрического поля Е0 = Епред, при которой возникает электрический разряд. Для воздуха при нормальном атмосферном давлении и нормальной ионизации ( 10 элект/(с·см3) Епред 30 кВ/см). В свою очередь, Рпред, связанную с тепловым пробоем, определяют по температуре, при которой возникает тепловое разрушение материалов, образующих линию.
Отметим, что в линиях передачи с воздушным заполнением и случае, когда линия работает в импульсном режиме с высокой скважностью, более опасен электрический пробой. В линиях с диэлектрическим заполнением, отличным от воздуха, а также, если по линии передается большая мощность в непрерывном режиме, более опасен тепловой пробой.
При необходимости передачи по линии высокого уровня мощности избегают применения линий с диэлектрическими вставками или с твердым диэлектрическим заполнением, а используют воздушное заполнение или заполнение специальными газами (элегаз) или жидкими диэлектриками (например, нонан, декан, гексан, гептан), которые имеют Епред>100 кВ/см. С такой же целью линии передачи заполняют воздухом или иным газом под давлением, в несколько раз превышающим атмосферное. При этом возрастает вероятность столкновения образующихся свободных электронов с положительно заряженными ионами газа, что снижает их концентрацию и увеличивает Епред. Величина Епред увеличивается и при существенном понижении давления газа, заполняющего линию, по сравнению с атмосферным давлением, поскольку вероятность столкновения свободных электронов с молекулами газа резко снижается.
Для увеличения Рпред, связанной с тепловым пробоем в линиях с диэлектрическим заполнением, используют диэлектрики с более высокой предельной температурой (например, разные виды керамики).
Источник
Усилительного каскада
Рассмотрим схему, в которой в выходную цепь транзистора включается сопротивление нагрузки рис. 8.22.
Для выходной цепи можно составить следующее уравнение
Последнее выражение представляет собой прямую линию и называется уравнением нагрузочной прямой. Обычно она строится на выходных характеристиках транзистора в области безопасных режимов его работы. Для определения области безопасных режимов необходимо знать предельно допустимые параметры транзистора: Pк max, Uкэ max, Iк max. Вначале строится график кривой допустимой мощности Iк = f(Uк) при Pк.max= const.: , рис. 8.23.
На рис. 8.23 кривая допустимой мощности ограничена вверху максимальным током Iк max, справа – предельным напряжением Uкэ max.
Нагрузочная прямая строится по двум точкам: по оси ординат откладывается ток , по оси абсцисс – напряжение Uип. Точки пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками дают рабочую точку.
Для неискаженного усиления размах выходного сигнала ограничивается внизу точкой, соответствующей режиму отсечки «В», а вверху – режимом насыщения (точка «С»). Посередине этого линейного участка выбирается рабочая точка «А», соответствующая активному режиму. Амплитуду выходного тока и напряжения можно определить графически:
Мощность переменного сигнала на выходе:
Мощность, рассеиваемая на коллекторе в режиме покоя:
Коэффициент полезного действия коллекторной цепи:
Входная статическая характеристика необходима для расчета параметров входной цепи (рис. 8.24).
На входные характеристики переносятся с выходных точки А, В, С, D, F, затем строится входная рабочая характеристика (штрихпунктирная линия) по точкам A’, B’, C’, D’, F’.
Амплитуды полуволн входного тока и напряжения получим из данного графика:
Мощность входного переменного сигнала:
Усиление по току, напряжению и мощности:
Аналогично проводятся расчеты для схемы включения с общей базой.
Дата добавления: 2015-05-13 ; просмотров: 815 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Рассеивание тепла DC/DC преобразователями в портативных устройствах
Bertrand Renaud, ON Semiconductor
Тщательный подбор элементов и правильная методика теплового расчета способны улучшить характеристики высоко миниатюризованных DC/DC преобразователей, предназначенных для мобильных устройств.
Спрос потребителей на многофункциональность миниатюрных устройств, таких как, мобильные телефоны, портативные медиаплееры или GPS навигаторы, заставляет разработчиков применять все меньшие компоненты в каждой следующей разработке. Когда речь идет о цифровых интегральных схемах (ИС) производители, в соответствии с законом Мура, постоянно уменьшают размеры компонентов, в то же время, увеличивая их производительность и степень интеграции.
Каждое следующее поколение аналоговых ИС так же имеет равные или лучшие характеристики по сравнению с предыдущим, при этом площадь, занимаемая ИС на печатной плате, непрерывно уменьшается. Производители силовых компонентов проводят непрерывную миниатюризацию своих устройств, для того чтобы повысить способность управления энергией при сокращении размеров компонентов, повышая, при этом, плотность мощности.
Следование этой тенденции, однако, налагает на разработчиков жесткие требования по управлению температурой. Энергия, теряемая в процессе преобразования мощности, выделяется в виде тепла. Из-за того, что кристалл меньшего размера имеет меньшую способность к рассеиванию тепла, сокращение габаритов компонентов относительно производимой ими энергии может привести к повышению их рабочей температуры. Нежелательными эффектами, в таком случае, могут быть снижение надежности, непредсказуемое поведение устройства и, в худшем случае, его разрушение. Как правило, более высокая рабочая температура приводит к росту количества отказов.
Использование сверхминиатюрных силовых устройств особенно продуктивно в современных портативных приложениях, но требует пристального внимания на уровне компонентов и на уровне плат для того, чтобы минимизировать количество тепла производимого устройством и обеспечить его эффективное удаление (Рисунок 1). Для уменьшения тепловыделения разработчики стремятся использовать преобразователи с высоким КПД. Например, импульсные преобразователи для приложений общего назначения, таких как локализованные к нагрузке стабилизаторы, предпочтительнее линейных. КПД лучших из этих устройств может достигать 95 … 97%.
| Рисунок 1. | Зависимость КПД преобразователя NCP1529 от выходного тока при окружающей температуре 85 °C, входном напряжении 2.7 В и напряжении на выходе 1.2 В. |
Улучшить эффективность отвода тепла помогают, недавно появившиеся различные инновационные корпуса в миниатюрном форм-факторе. Они оптимизированы для минимизации температурного сопротивления между кристаллом и корпусом, что позволяет эффективно удалять тепло от устройства.
Среди последних корпусов, предназначенных для портативных приложений, можно выделить такие сверхминиатюрные безвыводные типы, как µDFN и µCSP, имеющие на нижней стороне открытую металлическую площадку. Эта площадка припаивается так же, как все остальные выводы, позволяя отводить тепло непосредственно в печатную плату. Устройства в таких корпусах, размерами 2 × 2 мм и менее, способны обеспечивать величину постоянного выходного тока в районе 1.5 А.
Для того чтобы даже при максимальных выходных токах обеспечить стабильную работу и высочайшую долговечность конструкций, в которых использованы эти преобразователи, инженерам необходимо применять принципы теплового расчета, принимая во внимание рекомендации производителей относительно таких аспектов, как топология печатной платы.
Расчет рассеиваемой мощности
Выражение для мощности, рассеиваемой импульсным преобразователем, может быть записано в виде:
Предположим, стабилизатор выдает фиксированное выходное напряжение, и при этом достигает наибольшего значения рассеиваемой мощности при максимальном выходном токе и наихудшем КПД. Температура окружающей среды, при этом, достаточно высока, а входное напряжение минимально. Анализ конструкции DC/DC преобразователя поможет продемонстрировать, как рассчитать мощность, рассеиваемую при наихудших условиях, а так же понять, как она связана с температурным сопротивлением корпуса и максимально допустимой температурой окружающей среды.
Возьмем, для примера, DC/DC преобразователь NCP1529 фирмы ON Semiconductor. Эта микросхема, поставляемая в корпусе µDFN-6 с уменьшенным температурным сопротивлением, размером 2×2×0.5 мм или в TSOP-5, размером 3×1.5×1 мм, предназначена для применения в системах с аккумуляторным питанием. Диапазон входного напряжения от 2.7 до 5.5 В позволяет преобразователю работать от одноэлементного литиево-ионного источника или трехэлементной алкалиновой, никель-кадмиевой или никель-металлогидридной батареи. Величина выходного напряжения регулируется от 0.9 до 3.9 В, а максимальное значение выходного тока достигает 1.0 А.
Кроме того, в микросхему интегрирована схема отключения при перегреве для предотвращения повреждения устройства из-за превышения максимально допустимого уровня рабочей температуры. Так, если температура достигает 180 °C, устройство отключается с остановкой всех мощных транзисторов и схем управления. После того как температура опускается ниже 140 °C, устройство снова стартует в режиме мягкого запуска.
Естественно, что процесс разработки оптимальный конструкции должен быть направлен на снижение вероятности возникновения условий отключения микросхемы. Одним из первых шагов к этому должно быть появление четкого представления о том, что такое «КПД».
Предположим, преобразователь должен питать ядро микросхемы напряжением 1.2 В с током до 900 мА. При выходном токе 0.9 А NCP1529 имеет КПД равный 60%. Подстановка этих величин в Уравнение 2 дает следующее выражение для вычисления рассеиваемой мощности в наихудшем случае:
Знание рассеиваемой мощности важно для оптимизации температурных характеристик приложения.
Связь мощности с температурой
Тепловое сопротивление (RθJA) – это термин, используемый для описания способности корпуса микросхемы передавать тепло от кристалла к окружающей среде. Устройства с меньшим тепловым сопротивлением отдают тепло лучше. RθJA измеряется в °C/Вт, и для инженеров является инструментом, связывающим электрическую мощность (рассеиваемую) в ваттах с температурой в градусах Цельсия.
В технических описаниях на новейшие силовые устройства постоянно указываются все меньшие значения параметра RθJA, но за это разработчикам, если они хотят достигнуть ожидаемых характеристик устройств, приходится платить чрезвычайной внимательностью при разводке печатной платы и тепловом расчете. В техническом описании на NCP1529 указаны RθJA для одиночной микросхемы (220 °C/Вт в корпусе µDFN-6) и для микросхемы, установленной на плату в соответствии с рекомендациями по разводке печатной платы (40 °C/Вт). Данные значения показывают, что топология печатной платы способна сильно влиять на тепловое сопротивление. Фактически, следование рекомендациям производителя способно уменьшить эффективное значение RθJA в пять раз.
Зная RθJA и PDIPмакс., можно вычислить максимально допустимую температуру окружающей среды для приложения, используя следующее выражение:
где TJmax – максимально допустимая температура перехода (150 °C для NCP1529).
Вспомнив, что микросхемы NCP1529 выпускаются в корпусах двух типов, TSOP-5 и µDFN-6, можно быстро оценить влияние каждого варианта на область рабочих режимов. В таблице приведены рассеиваемая мощность, тепловое сопротивление и расчетная максимально допустимая температура окружающей среды для каждого корпуса. Таблица показывает, что выбор корпуса является ключевым моментом при конструировании преобразователя, который должен сохранять удовлетворительную работоспособность при максимальной ожидаемой температуре окружающей среды.
Источник