Considerações de design térmico de PCB

Com componentes de energia vindos em pacotes de montagem em superfície cada vez menores, é importante apresentar uma abordagem coerente para mitigar as demandas de dissipação térmica desses componentes em um projeto de PCB. Embora o desenvolvimento de uma análise matemática exata das características térmicas de um projeto de PCB possa ser um processo complexo, é possível aplicar algumas regras simples para melhorar a condução térmica de seu projeto. Em última análise, controlar adequadamente a dissipação de calor em seu projeto permitirá que você produza um projeto de PCB mais confiável e econômico. O que se segue é uma breve discussão do modelo padrão de dissipação térmica e, em seguida, algumas regras gerais para lidar com a dissipação térmica em seus projetos.


Primeiro, é importante definir a terminologia que será usada no restante desta entrada. A próxima figura apresenta os diferentes componentes de um CI de potência que devemos considerar ao discutir o gerenciamento térmico. Discutiremos a temperatura da junção, topo e caixa do componente e suas resistências térmicas ao ambiente ao longo deste artigo.

Com esses termos em mãos, veremos brevemente o modelo padrão usado para simular a dissipação térmica de um componente. A resistência térmica é normalmente modelada como uma rede de resistores. O modelo padrão para um componente é apresentado na figura a seguir:

Na figura apresentada T_J é definida como a temperatura da junção (a parte interna de trabalho do componente), T_T é a temperatura do "topo" do pacote (normalmente o invólucro de plástico do componente), T_C é a temperatura do "caso" (esta é a temperatura das almofadas altamente condutoras termicamente do componente e da placa de circuito impresso anexada) e T_A é a temperatura do ambiente ambiente. O objetivo do projetista eletrônico é então produzir a menor resistência térmica possível entre a junção e o ambiente. Com exceção de θ_CA , as resistências térmicas do sistema (θ_JT , θ_TA e θ_JC ) são definidos pelas propriedades do componente e podem ser extraídos da folha de dados do referido componente. Como projetistas de PCBs, temos influência principalmente sobre o valor de θ_CA , que depende do nosso design de PCB. Como tal, o principal desafio para o projetista é a redução da resistência térmica do gabinete do CI ao ambiente, reduzindo essa resistência. Quão bem somos capazes de diminuir esta resistência térmica (θ_CA ) definirá em grande parte o diferencial de temperatura (ou a falta dele) que se desenvolverá entre o ambiente ambiente e a junção do componente.


De notar é que o outro caminho para a condução térmica é a caixa de plástico (ou o "topo") do componente. Como a embalagem plástica da maioria dos componentes de energia não fornece um bom caminho térmico para o ambiente, a eficiência da dissipação térmica do projeto é mais fortemente dependente da capacidade do projeto de dissipar a energia térmica para o ambiente circundante através de seu gabinete. A única exceção é quando o CI de alimentação em questão é projetado com uma almofada térmica localizada na parte superior do componente. Neste caso, o CI é projetado para que um dissipador de calor seja fixado diretamente na parte superior do CI e a dissipação térmica do componente através de seu "topo" torna-se um fator muito mais importante no projeto.


A abordagem padrão para transferir o calor dos componentes de energia é através da conexão térmica dos componentes de energia aos planos de cobre adjacentes por meio de vias térmicas. Isso normalmente é conseguido colocando várias vias na pegada do IC de energia. Essas vias fornecem uma conexão térmica para as camadas de cobre abaixo do IC, que então conduzem o calor para longe do componente.

Além disso, quanto mais planos de cobre de energia conectados ao IC de energia pelas referidas vias térmicas, maior a eficiência de dissipação térmica do PCB. por exemplo. usar um design de 4 camadas versus um design de 2 camadas pode aumentar a capacidade de dissipação de energia do PCB em até 30% ao comparar a mesma área desses designs.

As seguintes regras de projeto são fornecidas como um bom ponto de partida para abordar as considerações térmicas de seu projeto.


uma. Para dissipar 1 watt de potência, uma boa regra geral é que sua placa precisa ter uma área de 15,3 cm² ou 2,4 pol² por watt dissipada para um aumento de 40°C na temperatura da placa. Se a placa estiver sujeita a fluxo de ar, este requisito pode ser reduzido pela metade (7,7 cm² ou 1,2 pol² por watt). Esses valores assumem que o componente está acoplado termicamente a um plano de cobre que se estende até as bordas da placa e que a placa está posicionada de forma que o ar possa fluir livremente em ambos os lados da placa. Se esses requisitos de densidade de potência forem muito restritivos para seu projeto, pode ser necessária a inclusão de um dissipador de calor externo. Além disso, um aumento de temperatura de 40°C é um bom ponto de partida a considerar ao controlar a temperatura da sua placa de circuito.


b. Sempre que houver mais de um componente de energia sendo colocado em uma placa, é uma prática recomendada colocar esses componentes de forma que sua PCB seja aquecida uniformemente por esses componentes. Grandes diferenças de temperatura ao longo do comprimento de seu projeto de PCB não permitem que seu PCB traduza de forma otimizada a energia térmica dos componentes de energia montados. Se disponível para o projetista, a imagem térmica pode permitir a inspeção empírica do posicionamento do seu componente assim que a revisão do projeto for concluída.


c. Quanto mais vias você puder colocar abaixo do seu componente, melhor sua PCB traduzirá a energia térmica para o plano de cobre conectado. Array de vias para aumentar o número em contato com as almofadas de energia do seu pacote (as grandes almofadas termicamente condutoras do componente).


d. Em projetos que dissipam potências mais altas, você precisará usar pesos de cobre mais altos. 1 oz de cobre é recomendado como ponto de partida para projetos de energia.


e. Ao utilizar um vazamento de cobre para dissipar a energia térmica de um componente, é importante que o vazamento não seja interrompido por trilhas perpendiculares ao caminho térmico para longe do componente de potência.


f. Se um dissipador de calor precisar ser utilizado para manter a temperatura do sistema em tolerância, é importante notar que o dissipador de calor normalmente será muito mais eficaz se colocado de forma que seja conectado termicamente ao gabinete do componente. Isso normalmente significa conectar o dissipador de calor ao lado oposto da placa de um componente montado na superfície. Embora possa ser tentador colocar um dissipador de calor diretamente na parte superior do componente, a resistência térmica da caixa plástica dos componentes tornará o dissipador de calor ineficaz. Como observado acima, as exceções a esta regra são pacotes explicitamente projetados para ter dissipadores de calor presos aos seus "topos".

Em resumo, é muito importante considerar o desempenho térmico de um projeto sempre que você estiver trabalhando com componentes de energia. Usar as regras de design apresentadas neste artigo no início do processo de design de sua PCB permitirá que você tenha uma boa vantagem no controle da temperatura de sua PCB e evite reprojetos drásticos posteriormente no processo de desenvolvimento.


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