Au secours, mon boîtier de PCB est un four !

Certains boîtiers de PCB sont vraiment mauvais pour la gestion thermique. Toutes les cartes ne génèrent pas des quantités excessives de chaleur au point de transformer un boîtier en sauna. Mais quand cela arrive, le boîtier doit avoir un mécanisme qui permet la dissipation de la chaleur, sinon les composants vont devenir trop chauds. Il y aura toujours un gradient thermique des composants chauds vers une surface de boîtier plus froide, mais ce gradient n'est maintenu que s'il existe un mécanisme permettant à la chaleur de s'échapper.

Donc, si vous voulez concevoir votre boîtier de PCB de manière à ce qu'il ne devienne pas un four pour vos composants, voici quelques stratégies qui vous aideront. Il y a des choses que vous pouvez faire sur le boîtier, ainsi que sur le PCB, pour éliminer la chaleur et maintenir un gradient thermique souhaitable vers le monde extérieur.

Qu'est-ce qui fait d'un boîtier un four ?

Il y a de nombreuses cartes qui peuvent devenir assez chaudes, et en particulier il y a quelques composants qui génèrent généralement la majeure partie de la chaleur. Ce sont le plus souvent de gros processeurs, de grands FET alimentant de grands courants, ou des régulateurs de commutation à haut courant.

Bien sûr, ces composants vont chauffer l'air autour du circuit imprimé. S'il n'y avait pas de boîtier, alors la convection naturelle aiderait à refroidir quelque peu le système. Mais quand vous mettez un boîtier autour de la carte, l'air chaud stagnant transforme votre boîtier en un four. Même sans contact direct avec un boîtier, le boîtier peut devenir si chaud que vous ne pouvez pas le toucher à mains nues. C'est évidemment assez mauvais si quelqu'un va tenir ou interagir avec votre produit.

Quand saurez-vous que l'air chaud stagnant a créé un effet de four dans votre boîtier ? Il y a deux autres facteurs à considérer :

Température au toucher. La température à laquelle quelque chose est trop chaud pour être touché à mains nues est toujours un delta par rapport à l'environnement environnant. Pour un produit dans un environnement à température ambiante, le produit sera trop chaud au toucher à environ 45 °C. Cela donne donc un delta très faible de seulement 25 °C avant que quelque chose soit trop chaud au toucher.

Température interne vs externe. Lorsque l'effet de four fonctionne à l'intérieur de votre boîtier, la température à l'intérieur du boîtier aura tendance à être beaucoup plus chaude que la température au toucher. Même pour un produit dans un boîtier en tôle, le delta entre la température au toucher et la température interne pourrait être de 20 à 25 °C. Pour un boîtier isolant, ce delta pourrait être beaucoup plus grand.

Quelques idées pour réduire ces températures

Le problème avec un boîtier chaud et une température interne encore plus chaude commence par l'incapacité de déplacer la chaleur loin des composants chauds. Les composants chauffent l'air autour d'eux, plutôt que de chauffer quelque chose d'autre avec une masse thermique élevée (comme un radiateur). Ajouter plus de cuivre dans le PCB pourrait aider à répartir un peu la chaleur, mais cela ne prévient pas l'effet de four. C'est parce que le problème commence avec les composants qui chauffent l'air autour de la carte.

Quelques idées pour réduire ce problème commencent à la fois avec la conception de la carte et la conception du boîtier.

• Grilles ou trous d'air pour la convection naturelle
• Ventilateurs montés sur le boîtier pour un refroidissement forcé
• Un grand dissipateur thermique sur la carte lié à un boîtier
• Construction d'ailettes de dissipateur thermique sur la surface du boîtier
• Flux d'air externe sur les surfaces extérieures du boîtier

Toutes ces options visent à éloigner la chaleur du boîtier, à retirer l'air chaud de l'intérieur du boîtier, ou les deux. Lorsque l'effet four se produit dans votre produit, vous devez généralement mettre en œuvre plusieurs idées pour refroidir l'appareil.

Regardez quelques exemples d'électronique robuste, et vous verrez certaines de ces caractéristiques sur le boîtier si vous savez quoi chercher.

Par exemple, regardez l'ordinateur embarqué robuste MIL-PRF ci-dessous. Ces systèmes intègrent des dissipateurs thermiques directement dans le boîtier à travers un ensemble d'ailettes. Ils pourraient également inclure un ventilateur à haut débit qui tire l'air autour des composants les plus importants. Ensemble, ces mesures aident à maintenir les systèmes dans une limite de température de fonctionnement sûre, ainsi qu'à être sûrs au toucher pour les humains.

Si vous souhaitez implémenter ces caractéristiques dans votre boîtier, alors vous devez rapidement transmettre les données de conception aux autres disciplines d'ingénierie pour faire le travail. Cela signifie que vous avez besoin :

• Un lien direct avec MCAD pour un concepteur de boîtier mécanique
• Un lien direct avec un système de simulation thermique comme Ansys
• Capacité à simuler le flux de puissance dans le PCB pour identifier les points chauds

Altium Designer® offre désormais ces capacités pour évaluer de manière exhaustive les cartes pour les performances électriques et thermiques via la plateforme Altium 365™. Les utilisateurs de MCAD peuvent accéder à un PCB et concevoir des dissipateurs thermiques et des boîtiers autour des composants chauds. Une fois cela terminé, l'ensemble du système peut être simulé en partageant la conception dans une application de résolution thermique. En amont, un analyseur de puissance aide à analyser les points chauds de la carte qui peuvent survenir en raison de grands courants dans les circuits de puissance.

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