Resumen: A medida que los dispositivos de consumo siguen disminuyendo en tamaño, las consideraciones de poder y de diseño térmico apropiado cada vez más importante para los diseñadores e ingenieros a bordo de circuitos de diseño. Este tutorial ayuda a los diseñadores para asegurar que una junta es tanto eléctricamente sonido y equilibrado térmicamente para un funcionamiento correcto y una eficiencia óptima.
Una versión similar de este artículo apareció en el 31 de octubre 2011 cuestión de la EDN .
Un tutorial térmica rápida
En general, las ecuaciones térmicas para dispositivos semiconductores pueden ser modelados después de ecuaciones eléctricos, de tal manera que la ohmios bien conocida y amada Ley (V = I x R) se convierte en DT = P x θ, donde t es el térmico diferencial en ° C, P es la potencia en vatios, y θ es la impedancia térmica (° C / W). Para los dispositivos semiconductores, DT es el diferencial de temperatura de la unión del dispositivo (por ejemplo, el punto más caliente en la matriz) y otro punto (por ejemplo, el caso, el aire ambiente, o la placa), y la impedancia térmica, θ, es el térmica resistencia de un punto a otro. Impedancia térmica se mide a menudo de la unión de un circuito integrado a otro punto (el aire ambiente, paquete, caja o tablero) y se describe como la resistencia de unión a temperatura ambiente, θ JA , unión a caso la resistencia, θ JC , o la unión a placa resistencia, θ JB , en las hojas de datos ( Figura 1 ).
Figura 1. Semiconductor impedancias CI térmicas pueden ser modeladas en gran parte la misma manera que los circuitos eléctricos, como se describe por la ley de Ohm.
Buen diseño térmico es necesario para mantener un dispositivo que funciona dentro de los límites de temperatura de seguridad. La temperatura de la unión, T J , para un IC puede calcularse como T J = T Un + (P x θ JA ) y nunca debe exceder el límite enumeran en la hoja de datos del fabricante (generalmente entre 125 ° C a +175 ° C). Los valores térmicos de impedancia también debe ser obtenido del fabricante original, ya que ambos son altamente paquete y en función del dispositivo.
Es importante señalar que, mientras que las ecuaciones térmicas pueden ser modelados en forma de ecuaciones eléctricas, la precisión esperada cuando se trabaja con la electricidad no es cierto para el funcionamiento térmico. A menudo, las características térmicas reales pueden variar tanto como 30% a partir del valor calculado.
Consideraciones sobre la fuente de la Junta
Diseño de la placa debe ser considerado desde el comienzo de un diseño. La regla más importante para los altos consejos del circuito de potencia es conocer a su circuito de alimentación . La ubicación y la cantidad de energía que fluye a través de un circuito es un factor importante cuando se decide la posición de CI y tipo y cantidad de disipación de calor requerido en la placa de circuito impreso ( PCB ).
Muchos factores afectan la cantidad de diseño para un diseño dado. Estos factores incluyen:
- La cantidad de energía que fluye a través del circuito
- La temperatura ambiente alrededor del equipo y la junta directiva
- La cantidad de flujo de aire alrededor del aparato y de la Junta
- El material de la tabla
- Densidad de IC en el tablero
De colocación de componentes
Analógicas y circuitos de señal mixta circuitos incluyen generalmente de alta potencia bloques analógicos y digitales bloques analógicos sensibles o de bajo consumo. Comienza la distribución mediante el diseño y la colocación de bloques de poder. Mantenga las conexiones en los bloques individuales de energía a corto y ancho y asegurarse contra los lazos de tierra innecesarios y la generación de ruido. . Múltiples tutoriales y notas de aplicación se han escrito acerca de las técnicas de diseño y recomendaciones para los circuitos de alta potencia 1,2,3 En general, recuerde lo siguiente:
- Identificar y reducir los bucles de corriente, trayectorias actuales especialmente altas.
- Limite resistivos de tensión caídas y otros parásitos entre los componentes.
- Localizar los circuitos de alta potencia fuera de los circuitos sensibles.
- Use las buenas técnicas de puesta a tierra.
Por otra parte, evitar la recogida de varios componentes de energía juntos en un PCB. La colocación de estos componentes generadores de calor de manera uniforme sobre la junta maximiza el balance térmico de la placa y protege la placa de la deformación. De manera eficiente para reducir el calor en la placa también protege a otros circuitos sensibles y señales durante la operación.
IC y el montaje de componentes
Mientras que la energía fluye a través de un circuito, ambos componentes pasivos y activos generan calor. El calor generado en los componentes pasivos y circuitos integrados tanto debe ser disipado al aire más frío ambiente alrededor del dispositivo. Este calor se disipa en general a través del paquete oa través del bastidor de conductores del dispositivo.
En los últimos años, los fabricantes de circuitos integrados de paquetes han construido los paquetes cada vez termo-amigables. Sin embargo, a pesar de estos avances de embalaje, la disipación de calor se vuelve cada vez más difícil como IC siguen disminuyendo de tamaño.
Muchos paquetes de circuitos integrados y diseños de mesa no deja mucho espacio para un disipador de calor externa, lo que requiere otro método para extraer el calor a entrar en la plataforma de exposición (EP). Un dado dentro de un paquete con un EP está directamente conectado con el PE para un rendimiento térmico óptimo.Correctamente el montaje de estos circuitos integrados en la placa de calor optimiza la transferencia del paquete a la junta. Las discusiones sobre consideraciones térmicas y técnicas de montaje para circuitos integrados individuales han sido bien documentada por un número de fuentes fiables y están fuera del alcance de este documento. Para obtener más información sobre las técnicas de montaje de paquetes individuales, véase la nota de aplicación 862, "Consideraciones térmicas de SMD y otros paquetes de Exposed-Paddle ".
Disipadores de calor
Los componentes del circuito de alimentación puede generar grandes cantidades de calor. Estos componentes necesitan para disipar el calor de forma rápida y eficiente para el ambiente. Un método comúnmente utilizado de disipación de calor es la adición de un disipador de calor externo a la placa. El propósito de un disipador de calor es eliminar el calor de un dispositivo y distribuirlo a la del aire ambiente. Generalmente hecha de materiales altamente conductores térmicos como el aluminio o cobre, los sumideros de calor externas proporcionan una mayor superficie para disipar el calor y debe ser colocado en el camino de flujo de aire, si es posible, para la disipación máxima. IC posicionamiento cada vez más importante cuando se utilizan los sumideros de calor externas y de la junta debe ser diseñado de manera que un disipador de calor se puede fijar en el lugar adecuado. Para optimizar la transferencia de calor de la IC al disipador de calor, también puede utilizar un epoxi térmica para facilitar la transferencia de calor entre los dispositivos.
Los disipadores de calor por lo general requieren una gran cantidad de espacio en una tabla y no puede ser apropiado para aplicaciones pequeñas y compactas. Cuando el espacio es un lujo, el diseño de la PCB para optimizar la transferencia de calor a través de la propia placa.
Diseño de la placa
Especial cuidado se debe tomar correctamente la ruta de alta potencia rutas entre circuitos integrados y componentes. La resistencia en pistas de cobre puede dar cuenta de la pérdida de potencia significativa y la generación de calor en un tablero si no se utiliza adecuadamente. Mantenga las huellas entre los componentes de energía a corto y ancho, y el uso más gruesos trazos de cobre para circuitos de corriente de alta. El ancho mínimo recomendado de seguimiento por amplificador de 10 ° C en la temperatura oscila entre los 10mil a 30mil 1 oz de cobre y se basa en la tabla de diseño en el IPC-2221 estándar para el diseño de PCB. 4 (Vea el espesor de seguimiento de la sección en este tutorial para más información.) Mediante rastreos que son demasiado pequeños para una corriente dada puede resultar en un rendimiento global degradados o incluso fusionar abierta en casos extremos. En cuanto a las huellas de potencia se refiere, más grande es mejor .
Los diseñadores de la Junta también puede usar los aviones grandes de cobre y vías en el tablero para eliminar el calor de los dispositivos. Aviones grandes aumentan la superficie disponible en un PCB para la disipación de calor de un dispositivo. Lo ideal sería que estos planos están conectados en las capas superiores o inferiores de las juntas para maximizar la transferencia al medio ambiente, sin embargo, incluso los planos interiores se pueden utilizar para extraer parte de la potencia disipada de aparatos en el PCB.
Vias se utilizan para transferir el poder de una sola capa sobre una tabla a otra. Ellos dirigen el calor de las conexiones del tablero de paquete a otro plano o capa. Múltiples vías de reducir la resistencia térmica de la IC al plano de disiparse.
Un ejemplo rápido
Del circuito de la máxima de la batería de simulación 5 es un ejemplo relativamente simple y directo de un circuito de alta potencia con fines de diseño. Este circuito no contiene ningún dispositivo de conmutación o los circuitos de control sensibles, eliminando la necesidad de múltiples planos de tierra o medidas de protección.
El circuito de alimentación principal del circuito simulador comienza en el nodo BATT + y fluye a través de la resistencia en serie de entrada 100MW y el transistor TIP35 para volver a la BATT-nodo ( Figura 2 ).
Figura 2. De simulación de circuitos de la batería de Maxim.
Suponiendo una carga 3A actual, la entrada de resistencia de detección debe ser capaz de manejar por lo menos 900mW. Para minimizar los cambios en la resistencia durante el funcionamiento, un sentido resistor capaz de manejar más de 1 W debe ser utilizado para asegurar una resistencia de entrada serie constante. Una resistencia de un solo 5W o 1W múltiples resistencias en paralelo y el trabajo ( Figura 3 ).
El transistor TIP35 en el circuito debe manejar la mayor parte de la potencia en el circuito. Bajo las condiciones del peor caso, la potencia a través del transistor TIP35 puede calcularse como sigue:
P TIP35 = (V BATT + - V -BATT ) × I BATT
P TIP35 = 4.2V x 3A = 12.6W
Un disipador de calor capaz de manejar 15W o más se debe utilizar para incorporar un margen de seguridad razonable. En la prueba de este circuito, se utilizó un 0,1 cm x 10cm x 18.5cm pieza de cobre para calentar hundir el TIP35.
La Figura 3 muestra la placa 2-capa para este circuito. Múltiples resistencias de 1W 400mΩ se utilizan en paralelo a la resistencia de entrada el sentido de 100MW. Aunque no se ve fácilmente en la figura, vías múltiples se han utilizado para conectar el BATT-almohadilla en la capa superior a la capa inferior, aumentando el área de la BATT-plano. Pasta térmica se ha utilizado para mejorar la transferencia de calor desde el transistor al disipador de calor.
Figura 3. La junta simulador de batería con disipador de calor externa para el transistor TIPC32.
Trazar Espesor
Un aspecto importante del diseño de un tablero de alta potencia es el espesor de las conexiones entre los componentes. Al igual que los cables, las trazas de PCB de cobre tienen una resistencia, y el espesor de seguimiento puede ser un factor muy importante en la forma en una placa de circuito de alta potencia realiza.Muchos de alta potencia circuitos electrónicos actuales requieren PCB con puntuaciones espesor de cobre de 2 oz o mayor antes de que las placas pueden entregar la plena potencia de salida y disipar el exceso de calor generado cuando la entrega de la energía a la carga. Los diseñadores a menudo espera que la fabricación de PCB casa para construir el circuito impreso con el espesor de cobre correcta. Sin embargo, si el proceso de fabricación de PCB no está bien controlada, el PCB puede terminar con un espesor de cobre que es menor que la especificada. Cuando el circuito no funciona como se espera, puede tomar muchas horas y frustrante para localizar a un problema que se deriva de cableado de cobre fino de lo deseado.
Ingenieros Maxim han desarrollado un método rápido y sencillo para la verificación de espesor de PCB de cobre antes del montaje. Esto ayuda a reducir los costos al reducir el tiempo de solución de problemas, la prevención de residuos innecesarios, y evitando cualquier tiempo de inactividad en la línea de producción.
De espesor de cobre a menudo se mide en "onzas por pie cuadrado" (pies cuadrados), de ahí el término "peso de cobre." Para determinar el peso de cobre en el PCB, una tira de prueba de longitud y ancho predeterminados se pueden agregar en un lugar conveniente en el PCB. A continuación, medir la resistencia de esta tira de prueba. Dado que la resistencia de la tira reactiva es demasiado pequeño para ser detectado con un óhmetro común, pasar una corriente constante a través de la pequeña tira de prueba y medir el voltaje a través de la tira reactiva. Esta tensión es proporcional a la resistencia a través de la tira reactiva. Por último, convertir el voltaje medido a través de la tira de prueba con el peso de cobre.
Sólo un bajo costo de corriente constante fuente , el voltímetro, y una resistencia de 5 W son necesarios para tomar las medidas. Esta configuración de la prueba puede ser fácilmente replicada por ejemplo, pruebas de producción de bajo volumen en múltiples líneas de producción, o en la inspección de entrada para solucionar los PCB con la más delgada de lo que desee capas de cobre. Se reducirá al mínimo la posibilidad de utilizar una tarjeta fuera de especificación.
Veamos cómo funciona: Incluye una tira reactiva que es de 50 milésimas de pulgada de ancho y consta de dos vías (una en cada extremo de la tira de prueba), espaciados 2000 milésimas de pulgada de separación (de centro a centro), a la placa como parte de la fabricación de PCB proceso. Pasar una corriente de 50 mA a través de la tira de prueba. Esto puede hacerse mediante la conexión de un ~ 5V fuente de alimentación de CC, un amperímetro y un 100Ω (5W) resistencia en serie a través de toda la tira de ensayo ( Figura 4 ). Ajuste el ~ 5 V DC fuente de alimentación hasta que el amperímetro indique exactamente 50 mA. Mida la tensión en la tira de prueba (en milivoltios). Dado que el voltaje a través de la tira de prueba es muy pequeño, asegúrese de que todas las conexiones estén en buen contacto.
Figura 4. 2.000 millones x 50 milésimas de pulgada de cobre del peso de prueba de configuración y las conexiones de banda.
Convertir el voltaje a través de la tira de ensayo con el peso de cobre usando la ecuación siguiente:
CuWt = 0.978 / (V STRIP )
donde vStrip es el voltaje a través de la tira de prueba se mide en milivoltios, y CuWt es el peso de cobre de la tira de prueba se mide en [oz / pie cuadrado]
Por ejemplo, la medición de una tira de prueba 2000mil × 50mil llevar a 50 mA de corriente, se mide una tensión de 0.489mV a través de la estipulación. Utilizando la ecuación CuWt, es evidente que esta banda tiene un peso de cobre de 2 oz
Referencias
- Solicitud de nota 735, " Consideraciones sobre el diseño para no aislados convertidores DC-DC . "
- Tutorial de 716, " Diseño y selección de componentes adecuados controles de EMI . "
- Jones, David L. "Tutorial de Diseño de PCB", 29 de junio ª , 2004. www.alternatezone.com .
- IPC-2221:. Norma genérica sobre el diseño impreso Junta www.IPC.org . 02 1998.
- De diseño de referencia 4322, " simplificado de iones de litio (Li +) de la batería-cargador de pruebas . "
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