Elektrik Elektronik Mühendisliği Ödev Yaptırma: SMPS Tasarımında Isı Yönetimi

Anahtarlamalı güç kaynakları (SMPS), günümüz elektroniğinin görünmez kahramanlarıdır; ancak gerçek dünya performansı verim tablosundan çok ısı yönetimine bağlıdır. MOSFET’in RDS(on)’u, diyodun Vf’si, manyetik çekirdeğin Steinmetz katsayıları, PCB bakırının kalınlığı, hava akışı ve termal arayüz malzemesi (TIM) gibi parametreler; yalnızca santigrat derecelerle değil, ömür, güvenilirlik, MTBF, derating, EMC ve kullanıcı güvenliği ile de doğrudan ilişkilidir. Bu yazı, ödev ve dönem projelerinde “ısıl olarak doğru” bir SMPS tasarlamak için uçtan uca bir çerçeve sunuyor: kayıp bütçesi çıkarmaktan ısıl direnç ağlarına, bakır yayılımından ısı alıcı ve fan seçimine, GaN/SiC ile yüksek dv/dt’nin ısıl–EMC ikilemlerine, termal ölçüm/simülasyondan güvenlik standartları ve saha dayanıklılığına kadar pratik, hesaplı, tekrarlanabilir bir rehber.

1) Isı yönetimi neden birinci sırada?

Güvenilirlik: Yarı iletken arıza oranı yaklaşık her 10 °C artışta ikiye katlanabilir (Arrhenius).
Parametre kayması: RDS(on), Vf, ESR ve mıknatıslanma kayıpları sıcaklıkla kötüleşir → kapalı devre “ısıl kısır döngü”.
EMC ve akustik: Sıcaklık yükseldikçe manyetikler “tıkırdar”, fanlar hızlanır, gürültü ve titreşim artar.
Verim/nominal güç: Derating eğrisi gerçek kullanılabilir gücü belirler.

Ödev mesajı: İyi bir SMPS yalnız verimli değil, soğuk çalışandır. Projenizin “değer önerisi”ne ısıl grafikleri mutlaka koyun.

2) Kayıp bütçesi: Watt’ları nerede harcıyoruz?

SMPS’te başlıca kayıp kalemleri:

MOSFET iletim: $P_{co n d} = I_{RMS 2} \cdot R_{D S (o n)} (T)$ .
MOSFET anahtarlama: $P_{s w} \approx 2 1 V \cdot I \cdot (t_{r} + t_{f}) \cdot f_{s}$ (+ kapı sürme $Q_{g} \cdot V_{g s} \cdot f_{s}$ ).
Diyot (veya SR MOSFET) kayıpları: $P_{D} = I_{a vg} \cdot V_{f}$ veya MOSFET’te iletim/anahtarlama karması.
Manyetikler: Çekirdek (Steinmetz: $P_{c} = k \cdot f^{α} \cdot B^{β}$ ) + bakır (AC direnci, skin/proximity).
Kapasitör ESR: Ripple akımına bağlı $P = I_{r i ppl e 2} \cdot ESR$ .
Sürücü/yardımcı, kontrol ve sensör kayıpları.

Hızlı yöntem: Tam yükte verim $η$ ile toplam kayıp $P_{l oss} = P_{o u t} \cdot (η 1 - 1)$ . Sonra kalemleri % dağıtın (ör. MOSFET %35, manyetik %25, diyot/SR %25, kapasitör %10, kontrol %5). Bu tablo ısıl stratejiyi yönlendirir.

3) Isıl direnç ağı: °C/W ile sıcaklık tahmini

Temel zincir: Junction → Case → TIM → Heatsink → Air

$T_{j} = T_{amb} + P_{l oss} \cdot (R_{θ j - c} + R_{θ c - h} + R_{θ h - a})$

R_{\theta j-c}: Veri sayfası.
R_{\theta c-h}: TIM ve montaj kalitesi (ör. 0.2–1.0 °C/W).
R_{\theta h-a}: Isı alıcı + hava akışı (fan vs doğal).

Pratik: İlk kestirim için %20–30 güvenlik payı koyun. Çoklu ısı kaynaklarında adyabatik kabul yetmez; süperpozisyon + yakınsama ile yineleyin.

4) PCB’nin ısıl rolü: Bakır, via’lar ve yayılım

Bakır kalınlığı: 1 oz → ~35 µm; 2 oz → ~70 µm. Kalınlık arttıkça akım ve ısı yayılımı artar.
Termal via matrisi: Güç cihazı pad’inden çoklu via (0.2–0.3 mm delik, 0.5–1.0 mm pitch) ile alt/üst katman bakır adalarına ısı taşıyın.
Geniş bakır adaları & doldurma (pour): “Hot loop” kısa tutulurken, termal yayılım için komşu bölgelerde geniş bakır havuzları.
Solder mask açığı: Alanda maskeyi kaldırıp ısı yayılımını artırın; ancak EMC/kapasitans etkisini değerlendirin.
Dengeli düzen: Sıcaklığı PCB’nin bir köşesine hapsetmeyin; eş dağılım ömrü uzatır.

Ödev ipucu: Aynı MOSFET ile via matrisi olan ve olmayan iki PCB’de termal kamera fotoğrafı → güçlü görsel puan getirir.

5) Isı alıcı (heatsink) seçimi: Doğal–zorlamalı konveksiyon

Doğal konveksiyon: R_{\theta h-a} tipik 10–25 °C/W (küçük profiller).
Fanlı (zorlamalı): 1–5 °C/W mümkün; ancak toz, ses, ömür ve güç tüketimi bedeli vardır.
Kanat geometri: İnce ve yüksek kanatlar hava hızında etkilidir; durağan havada kalın ve aralıklı kanatlar iyi çalışır.
Yerleşim: Kanatlar dikey; hava yolu açık olmalı. Kasanın içine sıkışmış heatsink bekleneni vermez.

Hesap kısa yolu: Gerekli R_{\theta h-a} = $P ^{s ink} T ^{ma x} - T ^{amb} - (R_{θ j - c} + R_{θ c - h})$ . Katalogdan bir üst boyu seçin.

6) TIM (Thermal Interface Material): W/m·K değil, temas kalitesi

Termal macun/pad: Düzgün sürülmezse hava cepleri oluşur, iletkenlik düşer.
Sıkıştırma (compression) ve kalınlık: İnce tabaka genelde daha iyi; yalıtkan pad’lerde dielectric strengthkontrolü şart.
Elektriksel yalıtım + ısıl iletkenlik dengesini gözetin (ör. silikon bazlı pad 1–6 W/m·K).

7) Manyetiklerde ısı: Çekirdek ve bakır birlikte düşünülmeli

Çekirdek malzemesi: Ferrit (yüksek f), toz demir (buck endüktör); Steinmetz parametreleri ile kayıp.
AC bakır kaybı: Skin/proximity → litz tel, çok katmanlı sargı, katman yerleşimi.
Hava boşluğu (gap): Endüktörlerde lokal sıcak noktalar; gap çevresinde akış ve mekanik destek.
SICAKLIK SENSÖRÜ: Trafo üstüne termistör ekleyip kapalı devre derating veya fan kontrolü yapın.

8) Frekans, verim ve ısı üçgeni

f_s ↑ → Manyetik küçük, ama anahtarlama kaybı ↑.
f_s ↓ → Anahtarlama kaybı ↓, manyetik/kondansatör büyük; akustik gürültü ve ripple artabilir.
GaN/SiC: Yüksek f_s’a olanak verir; dv/dt kaynaklı EMI ve ısıl yoğunlaşma (sıcak nokta) riskleri artar → layout ve soğutma daha kritik.

Ödev pratiği: Aynı güçte 100 kHz vs 300 kHz LLC/Buck denemesi; °C/W karşılaştırması ve BOM hacmi grafiği.

9) SR (Synchronous Rectification) ve ısıl etkileri

Diyot → MOSFET: İletim kaybı ciddi azalır (özellikle düşük çıkış gerilimi, yüksek akım).
Bedel: Kapı sürme, dead-time hataları, EMI ve kontrol karmaşıklığı.
Termal kazanç: Tipik %1–3 verim artışı sıcaklıkta 10–20 °C düşüşe çevrilebilir.

10) Kapasitörlerin ESR ve ömür bağı

ESR ısınması: Ripple akımıyla çekirdek ısınır → ömür kısalır.
Elektrolitikler: 105 °C sınıfı tercih; sıcaklık her 10 °C artışta ömür yarıya yaklaşır.
Polimer/seramik: Düşük ESR, daha düşük ısınma; derin DC bias etkisi ve mekanik gerilimleri kontrol edin.

11) Derating eğrisi: Gerçek güç, gerçek ortam

Ambiyans: 25 °C laboratuvar ≠ 50 °C saha.
Yükseklik: İnce hava → soğutma zayıf; korreksiyon yapın.
Kasa içi kapalı hacim: Hava akışı sınırlıysa ısı alıcı efektifliği düşer; iç sıcaklık değerini kullanın.

Ödev grafiği: Çıkış gücü vs ortam sıcaklığı; 40–60 °C aralığında lineer derating eğrisi.

12) Ölçüm: Termal kamerayla değil, akılla bakın

IR kamera: Emissivity ayarı şart; parlak bakır düşük emisyon → yanlış düşük okuma. Siyah bant ile referans.
Temas termokupl: MOSFET case ve manyetik yüzeyinde noktalar.
Çok noktalı ölçüm: En sıcak 3–5 bileşeni haritalayın; çekilen güç ve hava akışı ile birlikte raporlayın.

13) Simülasyon: Hızlı ısıl doğrulama

2.5D PCB ısı simülasyonu (ör. bakır dağılımı, via matrisi).
CFD (Computational Fluid Dynamics) ile fan, kanal ve kasa modelleme.
Sınır koşulları: Gerçek ısı akı, TIM ve montaj vidası basınçları; aksi halde “ideal dünya” hatası.

14) EMC–Isı ikilemleri ve layout etkisi

Düşük EMI için snubber/RC–RCD eklenir → ısı artabilir.
Hot loop küçültmek ısıyı bir bölgeye yoğunlaştırır; ısıl yayılım adaları ile dengeleyin.
Shield/kalkan sıcak noktayı hapseder; delikli/kanallı kalkanlar hava akışını korur.

15) Güvenlik (IEC/UL) ve sıcaklık sınırlamaları

Dokunulabilir yüzey sıcaklığı: Kullanıcı güvenliği sınırlı (plastik/metal temas).
Yalıtım malzemeleri: Sıcaklık sınıfları (Class A/B/F/H).
Creepage/clearance: Isı için plastiklerin yaşlanması; V-0 malzeme tercihi.
Termal sigorta/termal switch: Aşırı ısınmada güvenli kapama.

16) Fanlar: Çözüm mü, yeni bir risk mi?

Artıları: Küçük heatsink ile yüksek güç.
Eksileri: Toz tıkanması, rulman ömrü, ses, enerji tüketimi, tekil hata noktası.
Kontrol: PWM fan + tach feedback; fan durursa derating ve alarm. Filtre değişim planı.

17) Kutu (enclosure) ve hava kanalı tasarımı

Baca etkisi: Alt giriş–üst çıkış ile doğal akış arttırılır.
Kanal yönlendirmesi: Sıcak bileşenden sonra soğuğa hassas bileşenler gelmemeli; hava soğuktan sıcağasıralansın.
Delik/ızgara yerleşimi ve IP derecesi (IP54…IP65) → toz/nem ile ısıl çelişki.

18) Termal geribildirim: Kapalı devre sıcaklık kontrolü

NTC/termistör ile MOSFET/trafo sıcaklığına duyarlı f_s, akım limiti veya fan kontrolü.
Power foldback: Sıcaklık artınca akımı düşür; kullanıcıya istatü bildir (telemetri).
Yumuşak başlatma (soft-start) ve inrush kontrol; ısıl şoku azaltır.

19) Küçük hesap: 150 W, 24→12 V Buck örneği

Koşul: $V_{in} = 24$ V, $V_{o u t} = 12$ V, $I_{o u t} = 12.5$ A, $η \approx 95%$ → $P_{l oss} \approx 7.9$ W.
Paylaştırma: MOSFET %35 (2.8 W), SR MOSFET %25 (2.0 W), endüktör %25 (2.0 W), kapasitör %10 (0.8 W), kontrol %5 (0.4 W).
Heatsink hedefi (MOSFET): $T_{amb} = 40° C$ , $T_{j} \leq 110° C$ . $R_{θ j - c} = 1.5$ °C/W, TIM 0.5 °C/W → kalan $R_{θ h - a} \leq 2.8110 - 40 - 2.0 \approx 23.0 - 2.0 = 21$ °C/W. Küçük doğal konveksiyon soğutucu yeterli görünüyor; ancak PCB yayılımı ile birlikte düşünülmeli.
Endüktör: $2$ W kayıp, doğal konveksiyonda 80–95 °C yüzey beklenebilir; litz ve daha büyük gövde ile 10–15 °C düşüş.

20) GaN/SiC: Isı yoğunluğunu yönetmek

GaN HEMT: Çok düşük $Q_{g}$ , hızlı kenarlar; paket küçük → Watt/mm² büyük. Isıl yayılım için bakır yüzey ve kısa gate döngüsü.
SiC MOSFET: Yüksek gerilim ve sıcaklık toleransı; diyot geri toparlanması avantajı; ancak gate sürücü ve dv/dt CM akımları ısıl–EMC dengesini zorlar.

21) Akustik ve termal: Manyetik cıvıldama ve fan sesi

PWM modülasyonu duyulabilir bantta titreşim yaratır → dağınık spektrum (spread spectrum) ve mekanik sabitleme.
Kurusıkı sargı + vernik ile trafo/indüktör gürültüsü azalır.
Fan eğrisi ve histerezis ile gereksiz hızlanmaların önüne geçin.

22) “Altın” ısıl kontrol listesi (ödev teslimine hazır)

Kayıp bütçesi (her kalem için W ve %).
$T_{j}$ tahmini: R_{\theta} ağı ve hedef $T_{amb}$ .
PCB termal tasarımı: via matrisi, bakır adaları, mask açığı.
Heatsink/TIM seçimi ve montaj torku.
Manyetik boyutlandırma + çekirdek/bakır kayıpları.
Kapasitör ripple/ESR ve ömür hesabı.
Derating eğrisi (Pout vs T_amb) ve yükseklik düzeltmesi.
Ölçüm planı: IR + termokupl + güç/akım logları.
EMC–ısıl denge: snubber/RC ve sıcaklık etkisi.
Fan politikası (PWM, tach, alarm) ve filtre bakımı.
Güvenlik: yüzey sıcaklığı, V-0 malzeme, creepage/clearance.
Telemetri: NTC, foldback ve alarm eşikleri.

23) Sık yapılan hatalar ve hızlı kurtarma

Heatsink var ama hava yok: Kasanın duvarına bastırılmış ısı alıcı çalışmaz → kanatları hava akımına çevir, delik ekle.
IR kamera “soğuk” gösteriyor: Emissivity hatalı → siyah bantla ölç, termokupla doğrula.
Endüktör kayıpları küçümsendi: Sıcaklık 100+ °C → litz, daha büyük çekirdek, f_s optimizasyonu.
SR kapı sürme hafife alındı: Dead-time yanlış → ani ısınma; sürücü süresini ayarla, SOA’yı kontrol et.
TIM kalın: 1 mm yalıtkan ped ile delta-T büyük → daha yüksek W/m·K ve daha ince pad seç.
Fan yokken derating yok: Saha 45–55 °C’de kapanmalar → derating eğrisi ekle, foldback uygula.

24) 3 mini vaka: °C’yi düşüren küçük dokunuşlar

A) 65 W USB-PD Flyback (QR) – MOSFET ısısı 12 °C düştü

Değişiklik: RCD snubber optimizasyonu + gate direnci artışı ile dv/dt dengesi.
Sonuç: EMI sınırlamalarını korurken $P_{s w}$ %8 azaldı, MOSFET yüzeyi 12 °C düştü.

B) 400 W LLC – Endüktör sıcaklığı 18 °C düştü

Değişiklik: Litz tel seçimi ve katman yerleşimi, çekirdekte hava şeridi genişliği optimizasyonu.
Sonuç: AC bakır kaybı %30 azaldı; akustik gürültü de kayboldu.

C) 150 W Buck – PCB ile soğutma

Değişiklik: 4×4 termal via matrisi + alt katmanda 40×40 mm bakır havuzu.
Sonuç: Heatsink’siz denemede MOSFET junction tahmini 17 °C düştü; BOM ve boyut kazancı.

25) Sonuç: Isı yönetimi, SMPS’in mühendislik “gerçeklik testi”dir

Bu rehber, bir SMPS tasarımını ısıl olarak sağlam kılmak için kayıp bütçesi, ısıl direnç ağı, PCB’de ısı yayılımı, heatsink/TIM seçimi, manyetik kayıplar, frekans–verim–ısı dengesi, SR etkileri, kapasitör ömrü, derating, ölçüm/simülasyon, EMC–ısıl ikilemleri, güvenlik ve fan–kasa mimarisine kadar uzanan uçtan uca bir yaklaşım sundu. Ödev veya bitirme projesinde başarı, yalnız verim yüzdesi değil; sıcaklık haritanız ve derating eğriniz ile ölçülür. “Kaç Watt kaybettik?” sorusunun yanına “o Watt’ları nerede ve nasıl dağıttık?” sorusunu koyduğunuzda, tasarımınız laboratuvarda da sahada da soğukkanlı kalır.

Öğrencilerin akademik başarılarını desteklemek ve yoğun tempoda geçen okul yaşamlarında yardımcı olmak amacıyla kurulan “Ödev Yaptırma” platformu, özgün ve kaliteli ödev çözümleri sunmaktadır. Öğrencilerin farklı branşlardan ödevlerini, projelerini ve makalelerini profesyonel ve deneyimli ekip üyelerimiz aracılığıyla titizlikle hazırlıyoruz. Her bir ödevi, konunun gerektirdiği derinlemesine araştırmalar ve analizler doğrultusunda çözümleyerek, öğrencilerimizin özgün düşünce yapısını ön plana çıkarmasını sağlıyoruz.

“Ödev Yaptırma” olarak, müşteri memnuniyetini ve güvenilirliği en üst düzeyde tutmaktayız. Öğrencilerin bize teslim ettikleri ödevlerin tümü, gizlilik ve güvenlik ilkelerine sıkı sıkıya bağlı kalınarak işlenir. Her ödev, öğrencinin taleplerine ve öğretmenin yönergelerine uygun olarak özelleştirilir ve her zaman orijinal içerik üretmeye özen gösteririz. Öğrencilerin akademik itibarını korumak ve güvenilir bir öğrenme deneyimi sunmak için elinizdeyiz.

“Ödev Yaptırma” platformu, kullanıcı dostu arayüzü sayesinde öğrencilere kolayca ulaşılabilir bir hizmet sunmaktadır. Kullanıcılar, web sitemiz üzerinden basit adımlarla ödevlerini yaptırma taleplerini iletebilir ve ihtiyaç duydukları konuda uzmanlaşmış ekip üyelerimizle iletişime geçebilirler. Hızlı yanıt verme ve esneklik, öğrencilerin zaman baskısı altında olan durumlarında da yanlarında olduğumuzu hissettirir. “Ödev Yaptırma” olarak, öğrencilerin başarısını desteklemek ve onlara daha fazla öğrenme fırsatı sunmak için buradayız

İçerik Üreticisi

Biyografinin Tamamını Gör