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          基于FPGA+DSP架構(gòu)的高速通信接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          作者: 時(shí)間:2012-02-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          開關(guān)電源已普遍運(yùn)用在當(dāng)前的各類電子設(shè)備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高達(dá)數(shù)百瓦每立方英寸.由于開關(guān)電源中使用了大量的大功率半導(dǎo)體器件,如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管等器件。它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì)影響開關(guān)電源的正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開關(guān)電源.為提高開關(guān)電源工作的可靠性,熱設(shè)計(jì)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。

          2.熱設(shè)計(jì)中常用的幾種方法

          為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去,一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮: 使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬pcb、散熱膏等.在實(shí)際設(shè)計(jì)中要針對(duì)客戶的要求及最佳費(fèi)/效比合理地將上述幾種方法綜合運(yùn)用到電源的設(shè)計(jì)中。

          散熱器熱阻模型及其等效電路

            
          3.半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)

          由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位,其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗.從電路拓?fù)浞绞缴蟻碇v,采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過零時(shí)開通或關(guān)斷可最大限度地減少開關(guān)損耗但也無法徹底消除開關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.

          3.1 散熱器的熱阻模型

          由于散熱器是開關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價(jià)格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示

          半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示:
           
          pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a (w) -----------------------(1)
          pcmax(tc)= (tjmax-tc)/θj-c (w) -----------------------(2)

            pc: 功率管工作時(shí)損耗
          pc(max): 功率管的額定最大損耗
          tj: 功率管節(jié)溫
          tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫
          ta: 環(huán)境溫度
          tc: 預(yù)定的工作環(huán)境溫度
          θs : 絕緣墊熱阻抗
          θc : 接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)
          θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)
          θi : 內(nèi)部熱阻抗(pn結(jié)接合部與外殼封裝)
          θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

          根據(jù)圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:

            θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)

          又因?yàn)棣萣比θs +θc+θf大很多,故可近似為

            θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)

          ①pn結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗) θi是由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān).每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗.

          ②接觸熱阻抗θc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時(shí)就會(huì)增大接觸熱阻抗θc。在半導(dǎo)體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積,排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導(dǎo)熱性,可以大大降低接觸熱阻抗θc。

          當(dāng)前有一種新型的相變材料,專門設(shè)計(jì)用采取代硅油作為傳熱介面,在65℃(相變溫度)時(shí)從固體變?yōu)榱黧w,從而確保界面的完全潤濕,該材料的觸變特性避免其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當(dāng),但沒有硅油帶來的污垢,環(huán)境污染和難于操作等缺點(diǎn)。用于不需要電氣絕緣的場(chǎng)合。典型應(yīng)用包括cpu散熱片,功率轉(zhuǎn)換模塊或者其它任何簧片固定的硅油應(yīng)用場(chǎng)合,它可涂布在鋁質(zhì)基材的兩面,可單面附膠,雙面附膠或不附膠。

          ③絕緣墊熱阻抗θs
            
          絕緣墊是用于半導(dǎo)體器件和散熱器之間的絕緣.絕緣墊的熱阻抗θs取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度、面積。下表中列出幾種常用半導(dǎo)體封裝形式的θs+θc

          常用半導(dǎo)體封裝形式的


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