Ayuda, ¡mi carcasa de PCB es un horno!

Algunas carcasas de PCB son realmente malas para la gestión térmica. No todas las placas generan cantidades excesivas de calor de tal manera que conviertan una carcasa en una sauna. Pero cuando esto sucede, la carcasa necesita tener un mecanismo que permita la disipación del calor, o de lo contrario los componentes se calentarán demasiado. Siempre habrá un gradiente térmico de componentes calientes a una superficie de carcasa más fría, pero ese gradiente solo se mantiene si hay algún mecanismo para que el calor escape.

Así que si quieres diseñar tu carcasa de PCB de tal manera que no se convierta en un horno para tus componentes, aquí hay algunas estrategias que te ayudarán. Hay cosas que puedes hacer en la carcasa, así como en la PCB, para eliminar el calor y mantener un gradiente térmico deseable hacia el exterior.

¿Qué Convierte una Carcasa en un Horno?

Hay muchas placas que pueden calentarse bastante, y particularmente hay algunos componentes que generalmente generan la mayor parte del calor. Estos son más comúnmente grandes procesadores, grandes FETs que suministran grandes corrientes, o reguladores de conmutación de alta corriente.

Por supuesto, estos componentes calentarán el aire alrededor de la placa de circuito. Si no hubiera una carcasa, entonces la convección natural ayudaría a enfriar el sistema algo. Pero cuando pones una carcasa alrededor de la placa, el aire caliente estancado convierte tu carcasa en un horno. Incluso sin contacto directo con una carcasa, la carcasa puede calentarse tanto que no puedes tocarla con las manos desnudas. Esto es obviamente bastante malo si alguien va a sostener o interactuar con tu producto.

¿Cuándo sabrás que el aire caliente estancado ha creado un efecto horno en tu carcasa? Hay otros dos factores a considerar:

Temperatura al tacto. La temperatura a la cual algo está demasiado caliente para ser tocado por manos humanas siempre es un delta del entorno circundante. Para un producto en un ambiente a temperatura ambiente, el producto estará demasiado caliente para tocar a aproximadamente 45 °C. Así que esto da un delta muy bajo de solo 25 °C antes de que algo esté demasiado caliente para tocar.

Temperatura interna vs. externa. Cuando el efecto horno está trabajando dentro de tu carcasa, la temperatura dentro de la carcasa tenderá a ser mucho más caliente que la temperatura al tacto. Incluso para un producto en una carcasa de chapa metálica, el delta entre la temperatura al tacto y la temperatura interna podría ser de 20 a 25 °C. Para una carcasa aislante, ese delta podría ser mucho mayor.

Algunas Ideas Para Reducir Estas Temperaturas

El problema con una carcasa caliente y una temperatura interna aún más caliente comienza con la incapacidad de mover el calor lejos de los componentes calientes. Los componentes calientan el aire a su alrededor, en lugar de calentar algo más con una masa térmica alta (como un disipador de calor). Agregar más cobre en la PCB podría ayudar a dispersar el calor un poco, pero no evita el efecto horno. Esto se debe a que el problema comienza con los componentes que calientan el aire alrededor de la placa.

Algunas ideas para reducir este problema comienzan tanto con el diseño de la placa como con el diseño del recinto.

• Rejillas o agujeros de aire para convección natural
• Ventiladores montados en el recinto para enfriamiento forzado
• Un gran disipador de calor en la placa unido a un recinto
• Construir aletas de disipador de calor en la superficie del recinto
• Flujo de aire externo sobre las superficies exteriores del recinto

Todas estas opciones tienen como objetivo alejar el calor del recinto, eliminar el aire caliente de dentro del recinto, o ambos. Cuando el efecto horno está ocurriendo en tu producto, usualmente necesitas implementar múltiples ideas para enfriar el dispositivo.

Echa un vistazo a algunos ejemplos de electrónica robusta, y verás algunas de estas características en el recinto si sabes qué buscar.

Por ejemplo, echa un vistazo al computador embebido robusto MIL-PRF mostrado abajo. Estos sistemas integran disipadores de calor directamente en el recinto a través de un conjunto de aletas. También podrían incluir un ventilador de alto CFM que mueve el aire alrededor de los componentes más importantes. Juntas, estas medidas ayudan a mantener los sistemas dentro de un límite de temperatura de operación seguro, así como seguros al tacto para los humanos.

Si quieres implementar estas características en tu recinto, entonces necesitas pasar rápidamente los datos de diseño a otras disciplinas de ingeniería para hacer el trabajo. Esto significa que necesitas:

• Un enlace directo a MCAD para un diseñador de recintos mecánicos robustos
• Un enlace directo a un sistema de simulación térmica como Ansys
• Capacidad para simular el flujo de energía en la PCB para identificar puntos calientes

Altium Designer® ahora ofrece estas capacidades para evaluar de manera integral las placas por su rendimiento eléctrico y térmico a través de la plataforma Altium 365™. Los usuarios de MCAD pueden acceder a una PCB y diseñar disipadores de calor y recintos alrededor de componentes calientes. Una vez que eso se termina, el sistema entero puede ser simulado compartiendo el diseño en una aplicación de solución térmica. En el frente, un analizador de potencia ayuda a analizar puntos calientes en la placa que pueden surgir debido a grandes corrientes en circuitos de potencia.

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