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功率技術/新能源  

為無線電源接收器降溫

上網時間: 2012年11月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線電源  接收器  Qi  散熱  無線充電 

作者:Tony Antonacci

德州儀器系統工程師

現今行動裝置普遍耗電量大,工程人員必須設法使內嵌電池加速充電。透過無線充電聯盟及Qi標準,電感電源傳輸成為解決問題的選項之一,不過,系統散熱一直是一大挑戰,使得無線電源接收器的功率級耗損無法改善,為減輕耗損,無線電源模組的充電速率(輸出電流)必須降低,延長充電時間。本文將探討改善電池內嵌Qi規格無線電源接收器PCB散熱環境的不同技術所實驗結果,並且將探討其設計要點及優劣,以期改善散熱環境,達到最高充電速率。

散熱效能指標

本文探討下列三種散熱效能指標:

1. 電源IC散熱效能是IC在固定功率輸出下測得的環境溫度上升。

2. PCB散熱效能是在PCB的固定點測得的環境溫度上升。

3. 行動裝置散熱效能是使用者直接接觸裝置表面時測得的環境溫度上升。

如上定義的指標是按照絕對溫度遞減的順序排列,換句話說,指標1的溫度始終高於指標2及3,各個指標之間存在溫度差異梯度(gradient)。為了達到最佳的散熱效能,溫度梯度(gradient)及絕對溫度上升必須受到控制。必須注意的是,散熱指標3是消費者主要關注的焦點,而終端產品設計人員必須負責處理所有指標。

不同系統架構的散熱優劣

支援無線電源配件的電子產品利用個別媒介,例如電池蓋。將無線電源轉換PCB與主要行動裝置PCB相互隔離,創造遙感散熱環境。一般而言,遙感PCB與元件的平面大小及厚度均受到限制,導致散熱效能不彰。必須注意的是,對於配件解決方案而言,相較於替代架構,指標1與3之間的梯度(gradient)通常最小。這表示,電源IC外殼絕對溫度上升較容易在使用者接觸面呈現,會造成不良效果。

無線電源電池組等架構也因為PCB大小限制而有散熱問題。不過,電池組設計通常呈現指標1與3之間較大的梯度,因此,主要的散熱考量在於電池溫度上升,而非使用者接觸行動裝置時的溫度上升(指標3)。由於大多數充電器IC均包含以負溫度係數(negative temperature coefficient; NTC)或正溫度係數(positive temperature coefficient; PTC)電阻為基礎的散熱調節功能,因此在充電器IC內部即可進行管理。

另一個可用的架構是將無線電源電子裝置嵌入於主要行動裝置PCB。這是發揮散熱效能的最佳架構,但是在市場接受度方面仍低,而且運用於行動裝置需要額外花費成本。如此的限制造成配件或模組解決方案應運而生,減少消費者必須負擔的成本,即使未能選擇最佳架構也能達到散熱效能。

上述的所有架構都能夠運用這些技術。本文討論的架構著重在配件解決方案,但是,最終的設計架構決策必須審慎考量散熱優劣。

最佳散熱效能的PCB設計要點

由於矽產品進展及整合度提升,完整的無線電源解決方案的大小只有75mm2。然而散熱效能不彰與PCB大小的關係必須釐清。圖1顯示IC內部固定功耗下PCB大小與IC外殼溫度上升之間的散熱模型關係。

這張圖的重要性在於趨勢,而非實際結果。縮小PCB區域會造成IC外殼溫度呈等比級數增加(指標1)。由於IC外殼溫度與使用者接觸面之間既有的梯度,即指標1與3之間的差異,指標3因此隨著指標1的效能而呈等比級數上升。因此,無線電源解決方案的散熱效能受到PCB大小的先天限制。

除了大小因素之外,PCB的散熱效能(指標2)會受到下列PCB設計參數變化所影響:

1. 銅重量

2. 層數

3. 接地銅層區域及接觸導電層(via interconnect)

PCB散熱效能可視為一般的散熱來處理,其中導熱性及散熱區域會直接影響效能。增加設計參數1及2可直接改善固定PCB區域的效熱效能(圖2)。在兩層和四層PCB中使用2盎司銅的相同佈線設計,並且以其他層做為接地層。在相同輸出功率位準(同等的IC功耗)下,四層PCB的IC外殼溫度比兩層PCB低12℃。觀察 IC 外殼溫度及 PCB 邊緣的溫度 ,即指標 2 與 3 之間的差異時,可看出 PCB 散熱效能明顯改善。四層 PCB 造成 8℃ 梯度,而兩層 PCB 造成 20℃ 梯度,因此,PCB 的導熱性由於加大銅區域涵蓋範圍及使用 2 盎司的銅而大幅改善。

如同在兩層與四層 PCB 設計比較中所提,額外增加接地銅層時使用接地層做為導熱媒介可提升散熱效能,這就是達到 PCB 設計參數 3 (接地銅層區域及接觸導電層數) 最大值的原因。增加兩個內部接地層可將整個區域擴大,而提升 PCB 區域的導熱性。為了達到最大效果,也必須考量接地層之間的接觸導電層。PCB 有兩個重要區域的接觸導電層必須優化:1) 接近 IC 的接地接腳及電力墊片,以及2)大片銅區域接地灌流(ground pour)。為了使IC到接地層的導熱達到最佳效果,接近IC接地接腳的接地接觸導電層必須達到高密度。在接地覆銅周圍,應該有多層接觸導電層,但是不需要達到高密度。將這些細節納入考量之後,IC外殼溫度便能夠整體降低2℃至3℃。

IC封裝對於散熱效能的影響

目前的無線電源IC使用兩種主要的封裝:晶圓晶片級封裝(WCSP)及四方扁平無接腳封裝(QFN)。WCSP的尺寸最小,而QFN的散熱效能極為優異。在舉例說明之前,必須了解封裝的基本概念,才能深入體會散熱效能優劣背後的結構成因。

WCSP運用稱為覆晶(flip chip)的解決方案,晶片以矽基板正面朝下型態連接PCB。PCB電氣連接是透過錫焊凸塊直接從PCB墊片連接到晶片表面,成為即為精簡的解決方案。另一方面,QFN使用引線框架機械結構裝載晶片,而且封裝接腳透過內部連接線連接到晶片表面。封裝技術的差異充分顯現何以WCSP能夠將尺寸縮小。不過,對於相同晶片散熱效能差異的成因也不容小覷。只要運用上文探討的類似原理,將散熱區域擴展到最大,即可理解造成差異的成因。

QFN封裝提供稱為電力墊片(power pad)的功能。這是一個導熱表面,可將IC基板連接到接地層。晶片基板透過稱為黏晶(die attach)的材料連接電力墊片。黏晶能夠導熱,以增加兩個表面之間的導熱性。結合後有更大的表面區域能夠散熱,使熱源到接地層的熱輸出量增加。由於WCSP封裝使用覆晶解決方案,因此基板並非朝向PCB,無法如同QFN的電力墊片,利用銅散熱。為了最有效運用電力墊片,必須在電力墊片正下方設置多個接地接孔。

為了實驗評估,利用開發兩個大型評估模組 (EVM)。其中一個採用WCSP封裝,另一個採用QFN封裝。在圖1中,大面積PCB區域顯示IC外殼溫度飽和,並用來實驗隔離PCB大小變數。這兩個評估模組的其他PCB設計參數(層數、銅重量等)也維持不變,以確保散熱效能變化並非由於封裝所致。圖3顯示QFN及WCSP解決方案相對於輸出功率所達到的外殼溫度結果。

薄型散熱器的效益

在無線電源模組中,PCB放置在與接收器線圈組件所在的同一個平面。這表示PCB無法延伸到線圈組件後端,這是由於厚度增加所致。這樣一來便犧牲了可充分運用的寶貴散熱空間。為了不增加厚度,可將薄型散熱器(類似膠帶的材料,僅0.1公釐)放置在PCB表面後端,即可延伸到防護材料後端。圖4顯示這種做法的實驗結果。使用鋁質散熱器可將外殼溫度減少16℃(指標1)。必須注意的是,金屬散熱器不應該延伸到防護材料後端,以免無線電源運作期間產生的磁通量與鐵磁性金屬耦合。這會感應渦電流(eddy current)導致過熱,而產生不良後果。在PCB與薄型散熱器材料之間使用散熱黏著材料,能夠充分接觸熱源(相當類似QFN封裝中的黏晶)。

本文小結

無線電源相當方便現今行動裝置進行有效的充電,不過,整體解決方案降溫的問題不容小覷。使用上述的三個主要指標,設計人員即可瞭解並測試各種散熱技術的效能。雖然各個設計無法完全使用上述的所有技術,不過這些原理仍然必須確實遵循。例如,將PCB縮小到現今整合式裝置的最小尺寸,不過造成的結果卻是散熱效能不彰。在PCB大小固定的前提下,其他PCB設計參數也必須予以考量,權衡成本與效能的取捨,例如銅重量及使用多個接地層,薄型金屬散熱器可用來因應溫度上升及解決方案厚度的問題。運用這類技術後,無線電源充電速率即可達到接近或超越有限充電的程度。在這種情況下,消費者將獲得真正能夠搭配現今裝置使用的產品,充電效能也將達到嶄新的境界。


圖1:固定功耗下外殼溫度上升與PCB區域的關係。


圖 2:同等功耗下四層與兩層的效能比較。


圖3:WCSP及QFN PCB相對於輸出功率所達到的IC外殼溫度上升。


圖4:在PCB及接收器線圈後端增加薄型散熱器所達到的效果。

參考文獻

1. Tony Antonacci, Stephen Terry. “Take charge when creating a Qi-compliant wireless power accessory,” Electronic Design, September 12, 2011.

2. Download a datasheet for the bq51013A.

3. “QFN/SON PCB attachment,” Application Report (SLUA271A), Texas instruments, June 2002–Revised September 2007.

4. Learn more about these evaluation modules (EVMs):

a. bq51013aevm-764 (WSCP)

b. bq51013aevm-765 (QFN)

關於作者

Tony Antonacci 現任德州儀器系統工程師,負責電池充電管理產品的系統層級解決方案及產品定義,本身擁有美國田納西大學諾克斯維爾分校 BSEE 及 MSEE 學位,目前並擁有兩項整合式霍爾效應解決方案及無線電源傳輸的申請中專利。





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