Reduzierung einer hohen Sperrschichttemperatur zur Optimierung der PCB-Leistung

Ich halte mich für einen großen Multitasker, besonders wenn es darum geht, Mahlzeiten für meinen Sohn zuzubereiten. In der einen Pfanne brät der Fisch, in der anderen kocht die Suppe, und im Ofen sind die Kartoffeln. Normalerweise läuft alles wie geplant, außer in seltenen Fällen, wenn eines der Gerichte anbrennt, weil ich abgelenkt bin. Glücklicherweise kosten mich diese Temperaturprobleme nur ein paar Euro und etwas Zeit.

In der Elektronik kann sich Ihre Hardware buchstäblich aufheizen, wenn Sie den potenziellen Anstieg der Sperrschichttemperatur bestimmter Bauteile nicht korrekt berechnen. Ein noch schlimmeres Schicksal erwartet Ihre Leiterplatte, wenn Sie gar nicht wissen, was die Sperrschichttemperatur eigentlich ist, so wie es bei mir der Fall war, als ich am Anfang meiner Karriere stand. 

Sperrschichttemperatur und warum sie wichtig ist

Die meisten elektronischen Bauteile bestehen aus einem Siliziumchip. Der Siliziumchip ist von einem Gehäuse umhüllt, das Sie normalerweise auf die Leiterplatte löten. Die Sperrschichttemperatur gibt die Temperatur des Chips an, wenn das Bauteil eingeschaltet ist und Strom durchfließt.

Es gibt gute Gründe, um sich über die Sperrschichttemperatur der Bauteile Gedanken zu machen. Abgesehen davon, dass sich ahnungslose Techniker bei der Fehlersuche oder Wartung der Leiterplatte verbrennen können, kann eine in die Höhe schießende Temperatur, die die maximale Sperrschichttemperatur überschreitet, die Zuverlässigkeit der Bauteile beeinträchtigen.

Machen Sie Ihr Design nicht anfällig für thermische Fehlsteuerungen aufgrund von Messfehlern oder nicht berücksichtigten Spannungs- und Strombedarf. Unabhängig davon, ob Ihr Gerät LEDs, eine Diode oder einen pn-Übergang verwendet, sollte es über eine thermische Steuerung und Regulierung verfügen. 

So berechnen Sie die Sperrschichttemperatur anhand des Datenblatts

Wenn Sie es mit Hochstrom oder Strompegeln zu tun haben, von denen bekannt ist, dass sie eine beträchtliche Menge an Leistung verbrauchen, können Sie den Anstieg der Sperrschichttemperatur anhand des Datenblatts abschätzen. Das Datenblatt gibt die maximal zulässige Sperrschichttemperatur für jedes Bauteil an. Es beschreibt auch die zugehörigen Temperaturkoeffizienten, mit denen der Temperaturanstieg projiziert werden kann.

Der erste Schritt für eine genaue Berechnung ist die Ermittlung der Leistung, die von dem Bauteil verbraucht wird. Die Verlustleistung für einen linearen Spannungsregler ergibt sich beispielsweise aus der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung multipliziert mit dem durchfließenden Strom.

Vergewissern Sie sich, dass Sie die Sperrschichttemperatur kennen, bevor Sie mit Ihrem Design beginnen.

Sperrschichttemperatur berechnen

Wenn Sie den Wert der Verlustleistung haben, suchen Sie nach dem Temperaturkoeffizienten zwischen Sperrschicht und Umgebung. Er wird in der Regel in °C/W ausgedrückt und beschreibt den Temperaturanstieg für jedes einzelne abgeleitete Watt. Um die genaue Temperaturmessung des Bauteils zu erhalten, müssen Sie die berechnete Temperatur mit der Umgebungstemperatur der Leiterplatte addieren.

Der LM7805 von Texas Instruments hat z. B. im TO-220-Gehäuse eine Sperrschichttemperatur von 23,9 °C/W. Wenn das Bauteil 1 Watt in einer Raumumgebung von 27 °C abgibt, steigt die Temperatur des Bauteils auf 50,9 °C.

Tipps zum Umgang mit einer hohen Sperrschichttemperatur

Wenn die Hardware genutzt wird, ist es unvermeidlich, dass sich bestimmte Bauteile erwärmen. Die Berechnung der Sperrschichttemperatur gibt Ihnen ein gutes Bild davon, wie heiß es werden kann. Als Hardware-Designer haben Sie einen gewissen Einfluss darauf, dass die Temperatur nicht außer Kontrolle gerät. Hier sind einige Maßnahmen, die Sie ergreifen können, um die Wärme zu senken:

Kühlkörper

Einige Bauteile sind in Gehäusen wie TO-220 erhältlich und können auf einen externen Kühlkörper geschraubt werden. In Ihrem Design werden diese Bauteile vertikal platziert und Sie müssen Raum für den installierten Kühlkörper einplanen.

 Praktisch, um die Wärme eines Bauteils zu reduzieren.

Luftstrom

Die Belüftung ist eine wichtige Funktion, die Sie mit dem Produkt- oder Maschinenbauingenieur besprechen müssen, der für das Gehäuse der Leiterplatte verantwortlich ist. Sie verhindert, dass sich die Wärme an einer einzigen Stelle staut.

Halten Sie kritische Komponenten von der Hitze fern

Es ist allgemein bekannt, dass Wärme von 10 °C die Lebensdauer von Bauteilen um die Hälfte verkürzt. Um diese Katastrophe zu vermeiden, sollten Sie andere Bauteile von der erwärmten Zone Ihrer Leiterplatte fernhalten.

Thermische Durchkontaktierungen

Die Verwendung von Lara ist eine kosteneffiziente Methode zur Ableitung von übermäßiger Wärme, die von dem Bauteil auf die Leiterplatte übertragen wird. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Durchkontaktierungen, die in einem matrixartigen Muster platziert werden, damit die Wärme auf die gegenüberliegende Seite der Leiterplatte abgeleitet werden kann. Oft werden die Durchkontaktierungen zur besseren Ableitung auf leitenden Kupferebenen platziert.

Mit der richtigen Design-Software können Sie eine hohe Sperrschichttemperaturen ganz einfach reduzieren. Lassen Sie Ihre CAD-Tools die Messung für Sie durchführen, den Leuchtstoff orchestrieren, die LED und die Diode platzieren und ein echtes Wärmemanagement erzielen. Mit Altium Designer^® können thermische Durchkontaktierungen mit nur wenigen Klicks in einer einfach zu integrierenden, einheitlichen Designumgebung für Schaltpläne und Layouts platziert werden.  

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um eine hohe Sperrschichttemperatur zu bewältigen. Um zu verhindern, dass die Leiterplatte überhitzt, ist Weitsicht erforderlich. Mit einer guten PCB-Layout-Software wie CircuitStudio^® können Sie wärmebedingte Probleme abmildern und Ihr Design optimieren. Benötigen Sie weitere Hilfe im Umgang mit hohen Sperrschichttemperaturen? Sprechen Sie noch heute mit einem Experten von Altium.