Packaging, integration en manufacturing of PCB assembled power supplies (EMVT 2207)

Titel
Tegenstrijdigheden optimaliseren (EMVT02207)

Hoe kunnen voedingen voor consumentenelektronica compacter worden uitgevoerd? Dat is de vraag die de AIO’s van de TU Delft en Eindhoven meekregen bij aanvang van hun IOP-EMVT onderzoek.

Een conventionele voeding voor een computer of batterijlader bestaat uit een vlakke printplaat, een printed circuit board (PCB), met daarop verschillende componenten. Zowel aan de printplaat als aan de componenten zitten grenzen wat betreft het formaat. Om de vermogensdichtheid van de omvormers te vergroten, wordt gekeken naar het ontwerp van de componenten en de integratie hiervan op de PCB. Het doel van dit IOP-EMVT onderzoek is enerzijds om meer functionaliteit te geven aan PCB’s voor omvormers met een relatief laag vermogen, van tien tot een paar honderd watt. Daarnaast wordt onderzocht of het mogelijk is de fysische componenten te integreren, de vorm en de grootte van de componenten aan te passen zodat de samenstelling compacter wordt en de warmtehuishouding van de omvormer.

Warmte-uitwisseling
Componenten op conventionele vlakke PCB’s hebben een eigen warmteafvoer. Over de hele printplaat gezien, is het temperatuurprofiel niet vlak en de warmte-uitwisseling niet optimaal. Door de componenten thermisch met elkaar te koppelen en ook de vorm aan te passen, wordt het warmteprofiel vlakker, en de warmte-uitwisseling optimaler.

Flexibel
Erik de Jong, promovendus van de TU Delft in de vakgroep van professor Braham Ferreira, onderzocht de mogelijkheid de componenten driedimensionaal te integreren op de printplaat. Het warmteprofiel van de omvormer kan hierdoor efficiënter worden, de verliesdichtheid van het geheel hoger en de thermische huishouding beter. De Jong en begeleiders ontwikkelen hiertoe een methode waarbij de thermische huishouding van een omvormer wordt geëvalueerd en de doeltreffendheid van een ontwerp wordt bepaald. Voor één bepaalde toepassing zijn meerdere circuits mogelijk. Door deze evaluatiemethode op verschillende configuraties toe te passen kunnen de beste plekken voor de te monteren componenten worden bepaald. De printplaat zelf speelt in het 3D-ontwerp ook een rol in de warmtehuishouding. Door het toepassen van nieuwe technologieën en materialen, zoals speciale laminaten, kunnen nu ook componenten zoals condensatoren in de printplaat worden geïntegreerd. Door meer functionaliteit aan de printplaat te geven, zijn er minder losse componenten voor een omvormer nodig. In conventionele spoelen worden draadwindingen handmatig of met speciale wikkelmachines gemaakt. Door gebruik te maken van flexibele PCB’s met extra functionaliteit, zijn draadwindingen niet meer nodig. Door de PCB op de juiste manier te vouwen, krijgt dat deel van de printplaat dezelfde functie als de losse spoel. Het bijkomende voordeel hiervan is dat, in tegenstelling tot de handmatig geproduceerde spoel, deze component altijd exact hetzelfde is. Daarnaast kan door het gebruik van flexibele printplaten nog verder worden geoptimaliseerd op volume en plaats van de componenten.

Pareto-front
De eigenschappen die moeten worden geoptimaliseerd zijn niet altijd met elkaar in overeenstemming. De promovendus van de TU Eindhoven, Dmytro Malyna, uit de vakgroep van professor André Vandenput, maakt gebruik van nieuwe discrete- time modelleringstechnieken, zogenaamde versnelde steady-state shooting, om steady-state gedrag sneller te kunnen vaststellen in combinatie met het resulterende thermische gedrag in een omvormer. De inputparameters voor het thermische gedrag zijn de energieverliezen die uit de steady state worden berekend en de thermische weerstanden die uit de geometrie van het circuit kunnen worden berekend. Hierdoor kan de ontwerper spelen met de grootte, het model en de plaats van de fysische componenten op de PCB. Het resultaat is een enorme set mogelijke oplossingen voor gegeven specificaties van de omvormer.

Door het toepassen van genetische algoritmes kan een front van niet gedomineerde oplossingen worden gevonden. Hierbij wordt rekening gehouden met meerdere ontwerpdoelen, zoals de totale warmteverliezen én het volume. Alle oplossingen in dit zogenaamde Pareto-front zijn in principe equivalent.

Later, afhankelijk van welke kosten of ontwerpaspecten belangrijk zijn, kan de ontwerper het optimale circuit kiezen uit de oplossingenverzameling van het Pareto-front. Het vernieuwende aan dit onderzoek is dat elektrische en thermische aspecten volledig in de optimalisatieprocedure worden geïntegreerd, waarbij de Pareto-fronts erg snel kunnen worden herkend.

Deze benadering is specifiek geschikt om te worden toegepast in niet-lineaire systemen waar klassieke optimalisatietechnieken niet werken.

Uitvoerders
• Deel A:
  TU Delft, Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica, Electrical Power Processing,
Prof. Braham Ferreira
Dr. Ir. Paul Bauer
AIO: Erik de Jong

• Deel B:
  TU Eindhoven, Faculteit Elektrotechniek, Electromechanics and Power Electronics,
Prof. André Vandenput
Dr. Jorge Duarte
Ir. Marcel Hendrix
AIO: Dmytro Malyna

Onderzoeksperiode
Oktober 2002- oktober 2006.