Wysokie natężenia i jeszcze wyższe temperatury – jak zaprojektować odprowadzanie ciepła w PCB

Pamiętam ten pierwszy (i mam nadzieję, że ostatni) raz, gdy jeden z moich obwodów drukowanych zapalił się. Najpierw stanęły w płomieniach oporniki, a zaraz potem pobliski kondensator. Na szczęście zniszczenia nie były duże i większość innych komponentów nie ucierpiała. Zapytasz pewnie: dlaczego tak się stało? Nie, nie doszło do zwarcia. Projektując tę płytkę PCB na komputerze, nie wziąłem po prostu pod uwagę wysokiego natężenia prądu.

Wraz z postępującą miniaturyzacją układów elektronicznych zwiększają się ich wymagania cieplne, ponieważ coraz mniejsze urządzenia mają coraz więcej funkcji. To stwierdzenie jest szczególnie prawdziwe w przypadku obwodów drukowanych zasilanych prądem o wysokim natężeniu. Układy zasilania o dużej wydajności, takie jak baterie litowo-jonowe używane w samochodach elektrycznych, wymagają zintegrowanych systemów zarządzania energią, które są zbudowane na płytkach PCB. Projektanci wysokoprądowych obwodów drukowanych muszą stosować kreatywne strategie odprowadzania ciepła wydzielanego przez te układy.

Ciepło wytwarzane przez straty mocy w obwodach wysokoprądowych należy odprowadzić z urządzenia, aby zapobiec wzrostowi jego temperatury. Chyba każdy widział wentylatory i radiatory montowane na procesorach komputerowych. Działanie tych układów polega zasadniczo na odbieraniu ciepła z płyty głównej i jego wymianie z poruszającym się powietrzem. o niektórych urządzeń opartych na płytkach PCB, szczególnie tych mniejszych, nie da się jednak dodać wentylatora lub masywnego radiatora. 

Większy prąd, więcej miedzi – porady dla projektantów płytek PCB

Opór miedzianych ścieżek przewodzących i przelotek jest odpowiedzialny za znaczne straty mocy i wydzielanie dużej ilości ciepła w obwodach drukowanych, szczególnie tych pracujących z wysokim natężeniem. Połączenia elektryczne o większej powierzchni przekroju poprzecznego mają mniejszy opór, co redukuje moc traconą w postaci energii cieplnej.

W większości płytek drukowanych używa się około 0,03 g miedzi na centymetr kwadratowy. Gdy używamy darmowego oprogramowania do projektowania płytek PCB i nie mamy możliwości wyposażenia układu w wentylatory lub radiatory, powinniśmy w naszej wysokoprądowej płytce PCB użyć co najmniej dwukrotnie więcej miedzi. W obwodach pracujących z natężeniami większymi niż 10 amperów powinno się stosować nawet 0,09 do 0,12 g miedzi na centymetr kwadratowy płytki.

Użycie większej ilości miedzi wymaga poszerzenia ścieżek przewodzących na płytce. Aby nie tracić użytecznej przestrzeni, można umieścić ścieżki głębiej wewnątrz płytki. Pomoże to także w odprowadzaniu ciepła do samej płytki oraz pobliskich przelotek cieplnych. Oczywiście będzie to zapewne wiązało się z koniecznością użycia grubszej płytki, co może być pożądane w urządzeniach wysokoprądowych.

Przelotki cieplne i podłoża termiczne

Wydajna wymiana ciepła z nieruchomym powietrzem wokół urządzenia nie jest możliwa. Przy użyciu przelotek cieplnych można jednak odprowadzać ciepło od kluczowych komponentów elektrycznych na płytce. Przelotka cieplna to dobry przewodnik ciepła łączący górną i dolną stronę płytki. Ciepło przemieszcza się do przelotki cieplnej przez zwykły proces przewodzenia, a przelotka umożliwia jego odprowadzenie od najważniejszych komponentów elektronicznych.

Podłoże termiczne to wykonany z blachy metalowej element, który został zamontowany na spodniej stronie płytki. Ciepło odprowadzone przez przelotki cieplne z najgorętszych miejsc na płytce musi znaleźć się w jakimś innym miejscu, aby możliwe było podtrzymanie rozpraszania ciepła z gorących punktów na górze płytki. Przelotki cieplne przewodzą ciepło do podłoża termicznego. Idealne miejsce dla podłoża termicznego to taka część płytki, która nie jest narażona na pęknięcia.

Umieszczanie komponentów o dużej mocy

Wysokoprądowe komponenty elektroniczne, takie jak mikrosterowniki, mogą wytwarzać znaczne ilości ciepła. Gdy będziesz projektować obwody drukowane, zarezerwowanie miejsca dla tych komponentów w pobliżu środka płytki na pewno będzie dobrym pomysłem. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku komponentów półprzewodnikowych, które wykorzystują obudowę typu PowerPAD.

Ciepło wytwarzane przez komponenty zamontowane blisko krawędzi płytki będzie się tam gromadzić, więc lokalna temperatura może stać się bardzo wysoka. Jeżeli zaś zamontujemy ten sam komponent na środku płytki, ciepło może rozpraszać się w całej płytce, powodując obniżenie temperatury. 

Gdy używasz na płytce wielu komponentów o wysokiej mocy, nie umieszczaj ich w jednym miejscu, tylko zachowaj odstępy pomiędzy nimi. Możliwe, że najlepszym rozwiązaniem będzie rozmieszczenie tych komponentów na różnych płytkach, o ile umożliwiają to wymiary obudowy urządzenia. Zawsze przykładaj uwagę do umiejscowienia komponentów, ponieważ może ono mieć duży wpływ na budżet produkcji.

Odprowadzanie ciepła w PCB

Grubsze płytki

Praca urządzenia w ekstremalnych temperaturach powoduje skrócenie żywotności połączeń elektrycznych, komponentów, a także samej płytki. Producenci sprzętu komputerowego radzą sobie z tym problemem przy pomocy wentylatorów chłodzących. Gdy taki wentylator nie jest jednak używany, większość ciepła przewodzona jest bezpośrednio do płytki i pobliskich komponentów. Jeżeli płytka jest bardzo cienka, całość może się nagrzać do wysokiej temperatury.

Ogrzanie grubszej płytki do podobnej temperatury wymaga więcej energii cieplnej. To pomaga utrzymać niską temperaturę górnej warstwy płytki. Jeżeli płytka jest przymocowana bezpośrednio do obudowy, ciepło może być odprowadzone na zewnątrz urządzenia. Jest to rozwiązanie kompromisowe, bo jednocześnie powoduje wzrost kosztów produkcji.

Wybór najlepszej strategii odprowadzania ciepła zależy od wielu czynników. Nie w każdym projekcie lub rozmiarze obudowy da się zastosować wszystkie powyższe strategie. Na przykład: podłoża termiczne nie nadają się do dwustronnych płytek PCB. Jeżeli na płytce znajduje się wiele komponentów, nie da się uniknąć umieszczenia niektórych z nich przy jej krawędzi.

Altium Designer^® to pakiet oprogramowania z zaawansowaną funkcjonalnością, która umożliwia wizualizację potencjalnych gorących miejsc na płytce PCB. Narzędzie PDN Analyzer^™ pozwala projektantom na identyfikację problematycznych miejsc, które mogą sprzyjać awarii w urządzeniach wysokoprądowych. Aby dowiedzieć się więcej, porozmawiaj z ekspertem z firmy Altium.