Aiuto, il mio contenitore PCB è un forno!

Alcuni contenitori per PCB sono davvero pessimi per la gestione termica. Non tutte le schede generano quantità eccessive di calore tali da trasformare un contenitore in una sauna. Ma quando ciò accade, il contenitore deve avere un meccanismo che permetta la dissipazione del calore, altrimenti i componenti diventeranno troppo caldi. Ci sarà sempre un gradiente termico dai componenti caldi a una superficie del contenitore più fresca, ma tale gradiente è mantenuto solo se esiste un meccanismo che permetta al calore di sfuggire.

Quindi, se vuoi progettare il tuo contenitore per PCB in modo che non diventi un forno per i tuoi componenti, ecco alcune strategie che ti aiuteranno. Ci sono cose che puoi fare sul contenitore, così come sulla PCB, per rimuovere il calore e mantenere un gradiente termico desiderabile verso il mondo esterno.

Cosa Trasforma un Contenitore in un Forno?

Ci sono molte schede che possono diventare piuttosto calde, e in particolare ci sono alcuni componenti che di solito generano la maggior parte del calore. Questi sono più comunemente grandi processori, grossi FET che forniscono grandi correnti, o regolatori di commutazione ad alta corrente.

Ovviamente, questi componenti riscalderanno l'aria intorno alla scheda di circuito. Se non ci fosse un contenitore, allora la convezione naturale aiuterebbe a raffreddare un po' il sistema. Ma quando metti un contenitore intorno alla scheda, l'aria stagnante e calda trasforma il tuo contenitore in un forno. Anche senza contatto diretto con un contenitore, il contenitore può diventare così caldo che non puoi toccarlo con le mani nude. Questo è ovviamente piuttosto brutto se qualcuno dovesse tenere o interagire con il tuo prodotto.

Quando saprai che l'aria stagnante e calda ha creato un effetto forno nel tuo contenitore? Ci sono altri due fattori da considerare:

Temperatura al tatto. La temperatura alla quale qualcosa è troppo calda per essere toccata dalle mani umane è sempre un delta dall'ambiente circostante. Per un prodotto in un ambiente a temperatura ambiente, il prodotto sarà troppo caldo da toccare a circa 45 °C. Quindi questo dà un delta molto basso di soli 25 °C prima che qualcosa sia troppo caldo da toccare.

Temperatura interna vs. esterna. Quando l'effetto forno sta lavorando all'interno del tuo contenitore, la temperatura all'interno del contenitore tenderà ad essere molto più calda della temperatura al tatto. Anche per un prodotto in un contenitore di lamiera, il delta tra la temperatura al tatto e quella interna potrebbe essere di 20 a 25 °C. Per un contenitore isolante, quel delta potrebbe essere molto più grande.

Alcune Idee per Ridurre Queste Temperature

Il problema con un contenitore caldo e una temperatura interna ancora più calda inizia con l'incapacità di allontanare il calore dai componenti caldi. I componenti riscaldano l'aria intorno a loro, piuttosto che riscaldare qualcos'altro con una grande massa termica (come un dissipatore di calore). Aggiungere più rame nella PCB potrebbe aiutare a diffondere un po' il calore, ma non impedisce l'effetto forno. Questo perché il problema inizia con i componenti che riscaldano l'aria intorno alla scheda.

Alcune idee per ridurre questo problema iniziano sia con il design della scheda che con il design del contenitore.

• Griglie o fori d'aria per la convezione naturale
• Ventole montate sul contenitore per il raffreddamento forzato
• Un grande dissipatore di calore sulla scheda collegato a un contenitore
• Costruzione di pinne dissipatrici sulla superficie del contenitore
• Flusso d'aria esterno sulle superfici esterne del contenitore

Tutte queste opzioni sono intese a allontanare il calore dal contenitore, rimuovere l'aria calda dall'interno del contenitore, o entrambi. Quando si verifica l'effetto forno nel tuo prodotto, di solito è necessario implementare più idee per raffreddare il dispositivo.

Dai un'occhiata ad alcuni esempi di elettronica robusta, e vedrai alcune di queste caratteristiche sul contenitore se sai cosa cercare.

Ad esempio, guarda il computer embedded MIL-PRF robusto mostrato qui sotto. Questi sistemi integrano dissipatori di calore direttamente nel contenitore attraverso un insieme di pinne. Potrebbero anche includere una ventola ad alto CFM che tira aria attorno ai componenti più importanti. Insieme, queste misure aiutano a mantenere i sistemi entro un limite di temperatura operativa sicura, così come sicuri al tatto per gli esseri umani.

Se vuoi implementare queste caratteristiche nel tuo contenitore, allora hai bisogno di passare rapidamente i dati di progettazione ad altre discipline ingegneristiche per portare a termine il lavoro. Questo significa che hai bisogno:

• Un collegamento diretto a MCAD per un progettista di contenitori meccanici
• Un collegamento diretto a un sistema di simulazione termica come Ansys
• Capacità di simulare il flusso di potenza nella PCB per identificare i punti caldi

Altium Designer® ora offre queste capacità per valutare in modo completo le schede per le prestazioni elettriche e termiche tramite la piattaforma Altium 365™. Gli utenti MCAD possono accedere a una PCB e progettare dissipatori di calore e contenitori attorno ai componenti caldi. Una volta terminato, l'intero sistema può essere simulato condividendo il design in un'applicazione di risoluzione termica. All'inizio, un analizzatore di potenza aiuta ad analizzare i punti caldi della scheda che possono sorgere a causa di grandi correnti nei circuiti di potenza.

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