A medida que los componentes de potencia vienen en encapsulados de montaje superficial cada vez más pequeños, es importante idear un enfoque coherente para mitigar las exigencias de disipación térmica de estos componentes en el diseño de la PCB. Aunque el desarrollo de un análisis matemático exacto de las características térmicas de un diseño de PCB puede ser un proceso complejo, es posible aplicar algunas reglas sencillas para mejorar la conducción térmica de su diseño. En última instancia, controlar adecuadamente la disipación de calor en su diseño le permitirá producir un producto más fiable yPCB económicodiseño. A continuación se presenta un breve análisis del modelo estándar de disipación térmica y luego algunas reglas generales para tratar la disipación térmica en tus diseños.
En primer lugar, es importante definir la terminología que se va a utilizar en el resto de esta entrada. La siguiente figura presenta los diferentes componentes de un circuito integrado de potencia que debemos considerar al hablar de gestión térmica. A lo largo de este artículo, hablaremos de la temperatura de la unión, la parte superior y la carcasa del componente, así como de sus resistencias térmicas con respecto al entorno ambiente.
Con estos términos en mano, examinaremos brevemente el modelo estándar utilizado para simular la disipación térmica de un componente. La resistencia térmica se modela normalmente como una red de resistencias. El modelo estándar para un componente se presenta en la siguiente figura:
En la figura presentada TJse define como la temperatura de la unión (la parte interna de funcionamiento del componente), TTes la temperatura de la “parte superior” del encapsulado (normalmente la carcasa plástica del componente), TCes la temperatura de la "caja" (esta es la temperatura de las almohadillas altamente conductoras térmicamente del componente y la PCB conectada) y TAes la temperatura del entorno ambiente. El objetivo del diseñador de electrónica es entonces producir la menor resistencia térmica posible entre la unión y el entorno ambiente. Con la excepción de θCA, las resistencias térmicas del sistema (θJT, θÉL/ELLAy θJC) se definen por las propiedades del componente y pueden obtenerse de la hoja de datos de dicho componente. Como diseñadores de PCB, principalmente tenemos influencia sobre el valor de θCA, que depende de nuestro diseño de PCB. Por lo tanto, el principal desafío para el diseñador es la reducción de la resistencia térmica de la carcasa del CI hacia el entorno ambiente mediante la disminución de esta resistencia. Qué tan bien seamos capaces de reducir esta resistencia térmica (θCA) definirá en gran medida la diferencia de temperatura (o la falta de ella) que se desarrollará entre el entorno ambiente y la unión del componente.
Cabe destacar que la otra vía para la conducción térmica es la carcasa de plástico (o la “parte superior”) del componente. Como el encapsulado de plástico de la mayoría de los componentes de potencia no proporciona una buena ruta térmica hacia el entorno ambiente, la eficiencia de la disipación térmica del diseño depende en mayor medida de la capacidad del propio diseño para disipar la energía térmica al entorno circundante a través de su carcasa. La única excepción se da cuando el circuito integrado de potencia en cuestión está diseñado con una almohadilla térmica situada en la parte superior del componente. En este caso, el CI está diseñado para que un disipador de calor se acople directamente a la parte superior del CI y la disipación térmica del componente a través de su “parte superior” pasa a ser un factor mucho más importante en el diseño.
El enfoque estándar para disipar el calor de los componentes de potencia consiste en conectarlos térmicamente a planos de cobre adyacentes mediante vías térmicas. Esto se logra normalmente colocando varias vías en la huella del CI de potencia. Estas vías proporcionan una conexión térmica a las capas de cobre situadas debajo del CI, que luego conducen el calor lejos del componente.
Además, cuantas más capas de cobre de alimentación estén conectadas al circuito integrado de potencia mediante dichos orificios térmicos, mayor será la eficiencia de disipación térmica de la PCB. Por ejemplo, usar un diseño de 4 capas en lugar de uno de 2 capas puede aumentar la capacidad de disipación de potencia de la PCB hasta en un 30 % al comparar la misma área de esos diseños.
Las siguientes reglas de diseño se proporcionan como un buen punto de partida para abordar las consideraciones térmicas de su diseño.
a.Para disipar 1 vatio de potencia, una buena regla general es que su placa necesitará tener un área de 15,3 cm² o 2,4 in² por vatio disipado para un aumento de 40 °C en la temperatura de la placa. Si la placa está sometida a flujo de aire, este requisito puede reducirse a la mitad (7,7 cm² o 1,2 in² por vatio). Estos valores suponen que el componente está acoplado térmicamente a un plano de cobre que se extiende hasta los bordes de la placa y que la placa está colocada de manera que el aire pueda fluir libremente alrededor de ambos lados de la misma. Si estos requisitos de densidad de potencia son demasiado restrictivos para su diseño, puede ser necesaria la inclusión de un disipador de calor externo. Además, un aumento de temperatura de 40 °C es un buen punto de partida a considerar al controlar suplaca de circuitola temperatura de '
b.Siempre que se coloque más de un componente de potencia en una placa, es una buena práctica ubicarlos de tal manera que estos componentes calienten la PCB de forma uniforme. Grandes diferencias de temperatura a lo largo de su diseño de PCB no permiten que la PCB disipe de manera óptima la energía térmica de los componentes de potencia montados. Si el diseñador dispone de ello, la termografía infrarroja puede permitir la inspección empírica de sucolocación de componentesuna vez que se complete una revisión de diseño.
c.Cuantas más vías puedas colocar debajo de tu componente, mejor transferirá tu PCB la energía térmica al plano de cobre conectado. Distribuye las vías en matriz para aumentar el número de ellas en contacto con las almohadillas de alimentación de tu encapsulado (las grandes almohadillas térmicamente conductoras del componente).
d.En diseños que disipan potencias más altas, será necesario utilizar mayores espesores de cobre. Se recomienda cobre de 1 oz como punto de partida para diseños de potencia.
e.Al utilizar un vertido de cobre para disipar la energía térmica de un componente, es importante que el vertido no se vea interrumpido por pistas que corran perpendiculares a la ruta térmica que se aleja del componente de potencia.
f.Si es necesario utilizar un disipador de calor para mantener la temperatura del sistema dentro de tolerancia, cabe señalar que el disipador será normalmente mucho más efectivo si se coloca de manera que esté conectado térmicamente a la carcasa del componente. Esto suele significar fijar el disipador en el lado opuesto de la placa respecto a un componente montado en superficie. Aunque puede resultar tentador colocar un disipador directamente sobre la parte superior del componente, la resistencia térmica de la carcasa plástica del componente hará que el disipador sea ineficaz. Como se señaló anteriormente, las excepciones a esta regla son los encapsulados diseñados explícitamente para que se les acoplen disipadores en su “parte superior”.
En resumen, el rendimiento térmico de un diseño es muy importante de considerar siempre que se trabaje con componentes de potencia. Usar elreglas de diseñopresentados en este artículo al inicio del proceso de diseño de su PCB le permitirán tomar una buena ventaja en el control de la temperatura de su PCB y le ayudarán a evitar rediseños drásticos más adelante en el proceso de desarrollo.
En general, el rendimiento térmico del diseño de PCB debe realizarse con precisión, especialmente al diseñar con encapsulados de componentes de potencia muy pequeños. La disipación térmica debe abordarse con suficiente antelación en la fase de diseño para garantizar la rentabilidad y la fiabilidad del producto final. Al aplicar métodos clave como vías térmicas, planos de cobre y una colocación cuidadosa de los componentes, los diseñadores pueden reducir significativamente la resistencia térmica y mejorar la disipación de calor. Seguir estas directrices prácticas puede conducir a un diseño optimizado que evite el riesgo de sobrecalentamiento y prolongue la vida útil de los componentes electrónicos. Para quienes estén dispuestos a implementar estas estrategias de gestión térmica en sus proyectos, PCBCart ofrece una solución todo en unoServicios de ensamblaje y fabricación de PCBCon la calidad y la precisión como nuestras prioridades, PCBCart es capaz de hacer realidad sus diseños, con soluciones sólidas y eficientes. Solicite hoy mismo una cotización de PCBCart y comience a crear sus innovadores diseños de PCB con el apoyo experto de líderes de la industria.
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