Por qué deberías usar prototipos térmicos en lugar de simulaciones

De todos los problemas potenciales con un diseño, los desafíos térmicos suelen ser los más difíciles de predecir. También ocurre que no te das cuenta de un problema de gestión térmica hasta que ya has creado prototipos y comenzado las pruebas. En ese punto, el equipo mecánico tiene que modificar una carcasa, incluir cualquier mecanismo de enfriamiento, y puede que necesiten cambiar muchas especificaciones en un producto. Es demasiado tarde en el juego para empezar a cambiar especificaciones después de que se ha creado un problema térmico.

¿Cuál es la solución a todo esto? La mayoría de los proveedores de EDA recomendarán una aplicación de simulación térmica, y luego intentarán venderte una licencia adicional. No estamos aquí para decirte que las aplicaciones de simulación térmica son malas, pero hay una pequeña cantidad de trabajo de bajo riesgo que se puede hacer antes de crear tu diseño de PCB. Aquí es donde debes construir un prototipo térmico, y deberías hacer esto antes de ejecutar cualquier simulación térmica en tu producto idealizado.

¿Qué es un Prototipo Térmico de PCB?

Los prototipos térmicos son PCBs de prueba simples que te permiten identificar problemas de gestión térmica en tu PCB antes de finalizar un diseño eléctrico y mecánico completo. Algunos componentes y circuitos se examinan construyendo una placa de prototipo simple que funcionará a los niveles de potencia previstos para el circuito, y así se pueden determinar sus demandas térmicas a partir de mediciones. Podrás obtener una visión real con datos reales de tu PCB, en lugar de depender de datos de simulación.

El otro enfoque para la creación de prototipos térmicos está en la simulación, pero este no siempre es el mejor camino a seguir. Pero, ¿cuál es exactamente el problema con las simulaciones térmicas?

Realmente, no hay nada malo en usar simulaciones, el problema es que estas aplicaciones son complejas y costosas. Algunas aplicaciones de simulación térmica requieren conocimientos y habilidades a nivel de doctorado para configurar y asegurar resultados razonablemente precisos. También requieren muchos insumos en el modelo de simulación, que a menudo se determinan en base a estimaciones aproximadas. Luego está el costo del software de simulación: el software fácil de usar tiende a venir con la etiqueta de precio más alta.

Obviamente, todo esto puede hacer que las aplicaciones de simulación térmica sean inaccesibles para la mayoría de los diseñadores. En su lugar, considera construir pequeñas placas de prueba, a las cuales puedes empujar al límite en términos de demandas de potencia y manejo térmico. Por ejemplo, puedes usar prototipos térmicos para:

• Obtenga mediciones de temperatura directas en circuitos de electrónica de potencia.
• Experimente con varios componentes en circuitos de prueba.
• Pruebe una opción de apilamiento con su circuito de prueba.
• Integre el prototipo térmico con una placa de desarrollo o kit de evaluación.

¿Qué tipos de circuitos deberían usarse en un prototipo térmico? Creo que hay algunos buenos ejemplos de circuitos que merecen un prototipado térmico:

• Circuitos de potencia de conmutación, especialmente circuitos que incluyen unidades de puerta discretas.
• Circuitos con MOSFETs de potencia, particularmente arreglos de MOSFET.
• Ciertos procesadores y ASICs.
• Componentes sensibles a la temperatura, como interfaces analógicas de alta precisión, referencias, etc.
• Algunos componentes de RF, a saber, amplificadores de potencia de alta frecuencia.

Todos estos componentes pueden generar un calor significativo, lo que puede demandar una estrategia de enfriamiento activo. Si la intención del diseño es manejar el calor a través de la carcasa o con otra estrategia pasiva, entonces estos dispositivos necesitan ser probados junto con la carcasa para obtener una comprensión completa del enfoque de enfriamiento. Los prototipos térmicos ofrecen una oportunidad para hacer ambas cosas y traen varios beneficios.

Beneficios de los Prototipos Térmicos

Los prototipos térmicos son muy útiles desde múltiples perspectivas, particularmente cuando se mira el costo, el esfuerzo de diseño y la evaluación pre-diseño de componentes.

Menor costo que las aplicaciones de simulación: El costo de una licencia para una aplicación de simulación puede ser muy alto. Si estás trabajando con un contratista externo, el tiempo de ese contratista y la provisión de licencia no son gratuitos. Construir una placa de prueba con la circuitería y componentes previstos te permite probar e inspeccionar rápidamente el comportamiento térmico sin el costo y esfuerzo involucrados en construir simulaciones.

Proporcionando un punto de referencia para simulaciones: Los datos de prototipos térmicos pueden usarse como un punto de referencia contra simulaciones a nivel de sistema y como una verificación de la precisión de la simulación. Estas mediciones también pueden usarse para obtener estimaciones de parámetros mucho más precisas para usar en modelos de simulación térmica. Luego, una vez que estés listo para experimentar con estrategias de enfriamiento activo (como el flujo de aire forzado), las simulaciones tendrán una correspondencia mucho mejor con la realidad porque se basarán en datos reales de pruebas térmicas.

Riesgo bajo de propiedad intelectual: Al final del día, los prototipos térmicos serán placas desechables y probablemente no se construirán por segunda vez después de las pruebas térmicas. Esto significa que tu incentivo es construir estas lo más barato posible, lo que podría llevarte a la prototipación en el extranjero. Estas placas generalmente tienen un riesgo muy bajo porque raramente reflejan el diseño a nivel de sistema que deseas implementar.

Enfoques de bajo riesgo de diseño: A menudo se construyen prototipos térmicos porque se intenta calificar la función y las demandas térmicas de un circuito personalizado. Pero si quieres calificar un componente bajo prueba de manera general, siempre puedes construir la placa del prototipo térmico basándote en el circuito de aplicación del componente. Echa un vistazo en la hoja de datos del componente y replica el circuito de aplicación para un camino hacia adelante de bajo riesgo.

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