שיפור התכנון של גופי קירור משפר את הטיפול בפיזור ההספק ברכיבים להתקנה משטחית

לטיפול בהספק גבוה ברכיבים בהתקנה משטחית יש חשיבות גבוהה ברבות מבין מערכות ת”ר (RF) שבהן יש צורך הן בהספק גבוה וגם בהתקן שממדיו קטנים. הרכיבים להתקנה משטחית בהספק גבוה של Mini-Circuits כוללים דגמים עם דירוג מרבי של הספק, בכניסת ת”ר, המגיע ל- 100 ואט. עם זאת, קליטה נכונה של החום הנוצר ביחידות אלו קריטית כדי להבטיח את העברת החום לסביבה ואת הגבלת עליית הטמפרטורה בצורה מתאימה. ללא קליטת חום נכונה, היחידה עלולה להתחמם חימום יתר ולהינתק מהמעגל המודפס בזמן פעולה בהספק גבוה במשך פרקי זמן ארוכים. לכן, הטיפול בהספק הרכיב תלוי בחלקו ביעילות שבה אפשר לפזר את החום לסביבה.

מאמר זה יציג שיפור בתכנון של מצמד להתקנה משטחית להספק גבוה שנתון במארז מסוג AH1647, למען שיפור היעילות התרמית והעלאת דירוג ההספק המרבי בכניסת ת”ר ב- 10 ואט. אותה טכניקה יושמה גם בהתקנים נוספים להתקנה משטחית בהספק גבוה למען העלאת דירוג ההספק.

שיטה סטנדרטית לקליטת חום

המצמד SYDC-1952HP+ של Mini-Circuits הוא מצמד (ת”ר) דו כיווני להתקנה משטחית ולהספק גבוה שפועל בפס של 30 עד 512 מגה הרץ עם צימוד של 19 dB וטיפול בהספק של 50 ואט. טווח טמפרטורות ההפעלה שלו הוא בין –40^OC לבין +65^OC. היחידה מתוכננת עם מבנה של ליבת פריט (ferrite) וסליל ונתונה במארז מסוג AH1647, כפי שנראה באיור 1.

איור 1: מארז מסוג AH1647

בתוך היחידה, ליבת הפריט מותקנת על רפידת מתכת שמחוברת באופן מאובטח למעגל המודפס של היחידה. החום עובר מהליבה אל רפידת המתכת שבבסיס היחידה ואמור להיות מועבר אל הסביבה כדי להגביל את עליית הטמפרטורה. באיור 2 אפשר לראות את השיטה המומלצת להשגת העברת חום מתאימה, עם הכנות מתאימות שיש לעשות על המעגל המודפס של הלקוח.

איור 2. שיטה לקליטת חום ב- SYDC-19-52HP+ והעברתו דרך בסיס המתכת החשוף (slug) במעגל המודפס של הלקוח

את מעגל המודפס של הלקוח יש להכין עם חור מלבני במידות 6 x 6.1 מ”מ (0.24 x 0.245 אינטש), שהם ממדי רפידת המתכת ביחידה. קונפיגורציית ההתקנה המומלצת נראית באיור 3. יש להציב את בסיס המתכת החשוף (slug) דרך מעגל המודפס של הלקוח, מתחת לרפידת המתכת של היחידה, ולהלחים ביניהם. בדרך זו תתאפשר העברה נכונה של החום מתוך היחידה אל הסביבה דרך מעגל המודפס של הלקוח ובסיס המתכת המחובר אליו. שיטה זו של קליטת חום מאפשרת למצמד לפעול באופן אמין בהספק של 50 ואט במבוא מבלי לחרוג מטמפרטורת פעולה מרבית של 65^OC (במדידה על מוליכי ההארקה).

איור 3. תצורת ההתקנה המוצעת עבור SYDC-19-52HP+ תוך ציון האזור של רפידת המתכת בתוך בית היחידה. את המעגל המודפס של הלקוח יש להכין עם פתח בממדים התואמים כדי שיכיל את בסיס המתכת החשוף להעברת החום.

שיפור התכנון למען טיפול טוב יותר בפיזור הספק

את חום הרכיב SYDC-19-52HP+ מדדנו בעזרת מצלמת תרמי כדי להעריך את תכונות החום של היחידה. הפעלנו במבוא, ברציפות במשך חמש עשרה דקות, אותות ת”ר של 30 ואט, 40 ואט ו- 50 ואט, בקצה התחתון ובקצה העליון של תחום תדרי הפעולה המוגדר. בזמן הפעלת האותות, מדדנו את הטמפרטורה ב- 8 מקומות על היחידה, כדי לאתר את המיקום של הנקודה החמה. הצילומים התרמיים מראים שעליית החום הגדולה ביותר נמצאת בחלק העליון של הליבה ככל שמעבירים רמות הספק גבוהות יותר (ראה איור 4). לכן התכנון החדש צריך לאפשר העברת חום נוספת אל הסביבה מהחלק העליון של היחידה כדי לשמור על טמפרטורת פעולה מתחת לערך המרבי הנקוב ברמת ההספק הגבוהה.

כדי לשפר את העברת החום מהחלק העליון של היחידה, חיברנו גוף קירור אל החלק העליון של ליבת הפריט בנקודה החמה, באמצעות דבק אפוקסי גמיש, מוליך חום. היחידה שעברה שינוי עם גוף הקירור החדש נראית באיור 5.איור 4. צילום תרמי של SYDC-19-52HP+ ב- 30 מגה הרץ עם כניסה רציפה במשך 15 דקות של 30, 40 ו- 50 ואט.

איור 5. הצמדת גוף קירור (heat sink) אל החלק העליון של ליבת היחידה

על מנת לבדוק את הטיפול בפיזור הספק של יותר מ- 50 ואט בתכנון זה, שמופיע לעיל, הרכבנו את היחידה על לוח בדיקה TB-630+ של Mini-Circuits (ראה איור 6) ומדדנו את החום בארבע נקודות על פני תחום התדרים, בעזרת צילום תרמי בהספקי כניסה של 50 ואט, 55 ואט ו- 63 ואט. בטבלה 1 בהמשך מופיעים נתונים שהתקבלו מהבדיקות האלו.

איור 6. הצבת הרכיבים בלוח הבדיקה TB-630+, וצילום המעגל המולחם ללוח הבדיקה

 טבלה 1. תוצאות בדיקת ההספק עבור כניסת ת”ר של 50 ואט, 55 ואט ו- 63 ואט.

תוצאות אלו מראות שאפשר להפעיל את ההתקן שבבדיקה (DUT) באופן אמין עם הספק כניסת ת”ר עד ל- 60 ואט מבלי לחרוג מדירוג טמפרטורת ההפעלה המרבית של 66˚C. כאשר הטמפרטורה המרבית שנמדדה על האפוקסי הגיעה ל- 91.9˚C, טווח הטמפרטורה המוגדר של האפוקסי עצמו הינו –55˚C עד +230˚C, ולכן אין כל סיכון לכשל תרמי.

מסקנות

שיפור התכנון של דגם SYDC-19-52HP+ המוצג במאמר זה הראה שיפור של 10 ואט בטיפול בפיזור החום של ההתקן, על ידי כך שהוא מספק העברת חום נוספת מליבת היחידה אל הסביבה. חברת Mini-Circuits יצרה דגם סטנדרטי חדש, SYDC-19-52VHP+ עם ביצועים חשמליים שווים לאלו שבגרסת -HP+, אך עם דירוג הספק מרבי של 60 ואט בכניסת ת”ר. שיטה זו יושמה גם על התקנים פסיביים אחרים להתקנה משטחית ולהספק גבוה, על מנת להגדיל את יכולת הטיפול בחום, לרבות המצמד SYDC-20-171VHP+ ל- 100 ואט ואחרים. אפשר להרחיב עוד את השיטה לטווח רחב של תכנונים להתקנה משטחית ולהספק גבוה בעזרת שימוש במבנה ליבה וסליל כדי לשפר את היעילות התרמית ולהגביר את יכולת הטיפול בחום.