Hilfe, mein PCB-Gehäuse ist ein Ofen!

Einige PCB-Gehäuse sind wirklich schlecht für das thermische Management. Nicht alle Platinen erzeugen so viel Wärme, dass sie ein Gehäuse in eine Sauna verwandeln. Aber wenn es passiert, muss das Gehäuse einen Mechanismus haben, der die Wärmeableitung ermöglicht, sonst werden die Komponenten zu heiß. Es wird immer einen thermischen Gradienten von heißen Komponenten zu einer kühleren Gehäuseoberfläche geben, aber dieser Gradient wird nur aufrechterhalten, wenn es einen Mechanismus gibt, durch den die Wärme entweichen kann.

Wenn Sie also Ihr PCB-Gehäuse so entwerfen möchten, dass es nicht zu einem Ofen für Ihre Komponenten wird, hier sind einige Strategien, die Ihnen dabei helfen. Es gibt Dinge, die Sie am Gehäuse sowie auf der PCB tun können, um Wärme zu entfernen und einen wünschenswerten thermischen Gradienten zur Außenwelt aufrechtzuerhalten.

Was macht ein Gehäuse zu einem Ofen?

Es gibt viele Platinen, die ziemlich heiß werden können, und insbesondere gibt es einige Komponenten, die normalerweise den Löwenanteil der Wärme erzeugen. Dies sind am häufigsten große Prozessoren, große FETs, die große Ströme liefern, oder Hochstrom-Schaltregler.

Natürlich werden diese Komponenten die Luft um die Platine herum erwärmen. Wenn es kein Gehäuse gäbe, würde die natürliche Konvektion das System etwas abkühlen. Aber wenn Sie ein Gehäuse um die Platine legen, verwandelt stagnierende heiße Luft Ihr Gehäuse in einen Ofen. Selbst ohne direkten Kontakt zu einem Gehäuse kann das Gehäuse so heiß werden, dass man es nicht mit bloßen Händen berühren kann. Das ist offensichtlich ziemlich schlecht, wenn jemand Ihr Produkt halten oder damit interagieren soll.

Wann werden Sie wissen, dass stagnierende heiße Luft einen Ofeneffekt in Ihrem Gehäuse erzeugt hat? Es gibt zwei weitere Faktoren, die zu berücksichtigen sind:

Berührungstemperatur. Die Temperatur, bei der etwas zu heiß ist, um es mit menschlichen Händen zu berühren, ist immer ein Delta zur Umgebungstemperatur. Für ein Produkt in einer Raumtemperaturumgebung wird das Produkt bei ungefähr 45 °C zu heiß zum Anfassen sein. Das ergibt also ein sehr niedriges Delta von nur 25 °C, bevor etwas zu heiß zum Anfassen ist.

Interne vs. externe Temperatur. Wenn der Ofeneffekt in Ihrem Gehäuse arbeitet, wird die Temperatur im Inneren des Gehäuses tendenziell viel heißer sein als die Berührungstemperatur. Selbst für ein Produkt in einem Blechgehäuse könnte das Delta zwischen Berührungs- und Innentemperatur 20 bis 25 °C betragen. Für ein isolierendes Gehäuse könnte dieses Delta viel größer sein.

Einige Ideen zur Reduzierung dieser Temperaturen

Das Problem mit einem heißen Gehäuse und noch heißerer Innentemperatur beginnt mit der Unfähigkeit, Wärme von heißen Komponenten wegzuführen. Die Komponenten erwärmen die Luft um sie herum, anstatt etwas anderes mit hoher thermischer Masse (wie einen Kühlkörper) zu erwärmen. Das Hinzufügen von mehr Kupfer in der PCB könnte helfen, die Wärme ein wenig zu verteilen, aber es verhindert nicht den Ofeneffekt. Dies liegt daran, dass das Problem damit beginnt, dass Komponenten die Luft um die Platine herum erwärmen.

Einige Ideen, um dieses Problem zu reduzieren, beginnen sowohl mit dem Platinen- als auch mit dem Gehäusedesign.

• Gitter oder Lüftungslöcher für natürliche Konvektion
• Gehäusemontierte Lüfter für erzwungene Kühlung
• Ein großer Kühlkörper auf der Platine, der mit einem Gehäuse verbunden ist
• Kühlrippen auf der Oberfläche des Gehäuses anbringen
• Externer Luftstrom über die äußeren Gehäuseoberflächen

Alle diese Optionen sollen dazu dienen, Wärme vom Gehäuse wegzuziehen, heiße Luft aus dem Inneren des Gehäuses zu entfernen oder beides. Wenn der Backofeneffekt in Ihrem Produkt auftritt, müssen Sie in der Regel mehrere Ideen umsetzen, um das Gerät abzukühlen.

Werfen Sie einen Blick auf einige Beispiele für robuste Elektronik, und Sie werden einige dieser Merkmale am Gehäuse sehen, wenn Sie wissen, worauf Sie achten müssen.

Zum Beispiel schauen Sie sich den robusten MIL-PRF eingebetteten Computer unten an. Diese Systeme integrieren Kühlkörper direkt in das Gehäuse durch einen Satz von Rippen. Sie könnten auch einen hoch-CFM-Lüfter enthalten, der Luft um die wichtigsten Komponenten herumzieht. Zusammen helfen diese Maßnahmen, die Systeme innerhalb eines sicheren Betriebstemperaturbereichs zu halten, sowie sicher für Menschen zum Anfassen.

Wenn Sie diese Merkmale in Ihrem Gehäuse implementieren möchten, dann müssen Sie schnell Entwurfsdaten an andere Ingenieurdisziplinen übergeben, um die Arbeit zu erledigen. Das bedeutet, Sie benötigen:

• Eine direkte Verbindung zu MCAD für einen mechanischen Gehäusedesigner
• Eine direkte Verbindung zu einem thermischen Simulationssystem wie Ansys
• Die Fähigkeit, den Leistungsfluss in der PCB zu simulieren, um Hotspots zu identifizieren

Altium Designer® bietet nun diese Fähigkeiten an, um Platinen umfassend auf elektrische und thermische Leistung über die Altium 365™ Plattform zu bewerten. MCAD-Benutzer können auf eine PCB zugreifen und Kühlkörper sowie Gehäuse um heiße Komponenten herum entwerfen. Ist dies abgeschlossen, kann das gesamte System durch Teilen des Entwurfs in eine thermische Solver-Anwendung simuliert werden. Im Vorfeld hilft ein Leistungsanalysator dabei, Board-Hotspots zu analysieren, die aufgrund großer Ströme in Stromkreisen entstehen können.

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