Alte Correnti e Temperature più Elevate: Suggerimenti per la Progettazione di Circuiti Stampati per la Gestione del Calore

Ricordo il primo (e spero che resti l'unico) momento in cui uno dei miei circuiti prese fuoco. È iniziato con i resistori e si è rapidamente diffuso su un condensatore vicino. Per fortuna, gli non furono danneggiati tanti elementi e la maggior parte dei componenti era recuperabile. Mi vorresti chiedere come sia potuto succedere? No, questo brutto incidente non fu dovuto a un corto circuito. Molto semplicemente, non presi in considerazione l'alta corrente nel mio PCB.

Mentre l'elettronica continua ad essere miniaturizzata, le richieste termiche in questi sistemi aumentano man mano che nei dispositivi più piccoli vengono inserite sempre più funzionalità. Questo è vero specialmente nei PCB che funzionano a corrente elevata. I sistemi di alimentazione con potenza elevata, come le batterie agli ioni Li+ utilizzati nei veicoli elettrici, richiedono sistemi integrati di gestione dell'alimentazione costruiti su PCB. I progettisti, quindi, dovranno implementare strategie creative per gestire il calore generato nei PCB ad alta corrente.

Per contrastare l'aumento della temperatura, il calore generato dalla perdita di potenza in circuiti ad alta corrente dovrebbe essere tenuto lontano dal dispositivo. Probabilmente tutti voi avete familiarità con i ventilatori e i dissipatori di calore usati sui processori dei computer. Questi sistemi essenzialmente spostano il calore dal pannello e lo scambiano con l'aria in movimento. Ma in alcuni dispositivi PCB, in particolare nei dispositivi con fattore di forma ridotto, l'incorporazione di un ventilatore o di un dissipatore di calore potrebbe non essere possibile a causa dell'ingombro.

Rame più Pesante per Correnti più Elevate: Suggerimenti per la Progettazione di PCB

La resistenza delle tracce e delle via del rame rappresenta una significativa perdita di potenza e allo stesso tempo di generazione di calore nei dispositivi basati su PCB, specialmente quando trasportano corrente elevata. I collegamenti elettrici con un'area della sezione trasversale più ampia hanno una resistenza inferiore, che riduce la quantità di energia persa a causa del riscaldamento.

La quantità di rame utilizzata nella maggior parte dei PCB è equivalente a circa 1 oncia per piede quadrato. Quando non si utilizzano ventilatori o dissipatori di calore, un PCB con corrente elevata dovrebbe utilizzare almeno il doppio di questa quantità di rame. I circuiti che funzionano a oltre 10 ampere dovrebbero arrivare a 3 o 4 once, per piede quadrato.

L'utilizzo di una grande quantità di rame richiederà un aumento della larghezza delle tracce sul PCB. Per non perdere l'area utilizzabile, le tracce possono essere posizionate più in profondità nella scheda. Ciò contribuirà anche a dissipare il calore nella scheda stessa e in tutte le via termiche vicine. Naturalmente, questo richiederà probabilmente l'uso di una scheda più spessa, che dovrebbe essere auspicabile in dispositivi ad alta corrente.

Via e Atterraggi Termici

Il calore non può essere scambiato in modo efficiente con aria stagnante attorno a un dispositivo caldo. Ma il calore può essere trasferito lontano dai componenti elettrici critici nella scheda usando le via termiche. Una via termica è un buon conduttore di calore che scorre tra la parte superiore e inferiore della scheda. Il calore viene trasferito a una via termica tramite una semplice conduzione e la via termica consente al calore di allontanarsi dai componenti elettronici critici.

Un atterraggio termico è fondamentalmente una piastra metallica montata sul fondo della tavola. Dopo che le via termiche trasportano il calore lontano dai punti più caldi sulla scheda stessa, deve andare da qualche altra parte per mantenere la dissipazione del calore dai punti caldi sulla parte superiore della scheda. Le via termiche trasportano il calore all'atterraggio termico. Idealmente, l'atterraggio termico dovrebbe trovarsi in una parte della scheda che non sia un punto di guasto. 

^{Immagine a infrarossi di un dispositivo PCB in esecuzione ad alta corrente.}

Posizionamento dei Componenti ad Alta Potenza

I componenti elettronici ad alta corrente come i microcontrollori possono generare una significativa quantità di calore. È una buona prassi montare questi componenti vicino al centro della scheda. Questa prassi è particolarmente ottimale per i componenti a semiconduttore che utilizzano un pacchetto di stile PowerPAD.

Se un componente è montato vicino al bordo della scheda, il calore che genera si accumula e la temperatura locale potrebbe diventare molto alta. Ma se il componente è montato al centro della scheda, il calore può diffondersi su tutta la scheda e in questo modo la temperatura della scheda diventerà più bassa.

Più componenti ad alta potenza dovrebbero essere distribuiti su tutta la scheda piuttosto che raggruppati in un'unica posizione. Potrebbe anche essere preferibile separare i componenti tra schede diverse, a condizione che il fattore di forma del dispositivo lo consenta. Prestare sempre attenzione al posizionamento dei componenti in quanto può avere un impatto significativo sul budget di produzione.

 

^{Componenti adattati su un PCB}

 

Schede Più Spesse

La durata delle connessioni elettriche, dei componenti e della scheda stessa verrà ridotta quando il dispositivo funzionerà a temperature estreme. Il settore dell'hardware dei computer ha ridotto questo problema utilizzando le ventole di raffreddamento. Ma quando una ventola non viene utilizzata per il raffreddamento, la maggior parte del calore viene condotta direttamente nella scheda e nei componenti circostanti. Se la scheda è molto sottile, tutto può riscaldarsi e raggiungere una temperatura elevata.

Una scheda più spessa richiederà più energia termica per riscaldarsi e raggiungere una temperatura elevata. Ciò aiuta di fatto a mantenere bassa la temperatura nella parte superiore della scheda. Se la scheda è montata direttamente sul packaging, il calore può essere condotto all'esterno del dispositivo. Il compromesso con questa soluzione è che i costi di produzione risulteranno più alti.

Le migliori strategie di dissipazione del calore utilizzabili dipenderanno da una serie di fattori. Non tutti i design o i fattori di forma possono soddisfare tutte le strategie descritte fino ad ora. Ad esempio, gli atterraggi termici non sono adatti per le schede PCB a doppia faccia. Se sulla scheda è presente un numero elevato di componenti, alcuni di essi verranno inevitabilmente posizionati vicino al bordo della scheda.

Il pacchetto software Altium Designer presenta funzionalità avanzate che consentono di visualizzare i potenziali punti caldi nel PCB. Lo strumento analizzatore PDN consente ai progettisti di identificare le aree problematiche che possono portare a guasti nei dispositivi ad alta corrente. Parla con un esperto di Altium per saperne di più.