Socorro, Meu Gabinete de PCB é um Forno!

Algumas caixas de PCB são realmente ruins para o gerenciamento térmico. Nem todas as placas geram quantidades excessivas de calor a ponto de transformar uma caixa em uma sauna. Mas quando isso acontece, a caixa precisa ter um mecanismo que permita a dissipação do calor, ou os componentes ficarão muito quentes. Sempre haverá um gradiente térmico de componentes quentes para uma superfície de caixa mais fria, mas esse gradiente só é mantido se houver algum mecanismo para o calor escapar.

Então, se você quer projetar sua caixa de PCB de forma que ela não se torne um forno para seus componentes, aqui estão algumas estratégias que irão ajudá-lo. Existem coisas que você pode fazer na caixa, bem como na PCB, para remover o calor e manter um gradiente térmico desejável para o mundo exterior.

O Que Faz Uma Caixa Ser Um Forno?

Existem muitas placas que podem ficar bastante quentes, e particularmente há alguns componentes que geralmente geram a maior parte do calor. Estes são mais comumente grandes processadores, grandes FETs fornecendo grandes correntes, ou reguladores de comutação de alta corrente.

Claro, esses componentes aquecerão o ar ao redor da placa de circuito. Se não houvesse caixa, então a convecção natural ajudaria a esfriar o sistema de alguma forma. Mas quando você coloca uma caixa ao redor da placa, o ar quente estagnado transforma sua caixa em um forno. Mesmo sem contato direto com uma caixa, a caixa pode ficar tão quente que você não pode tocá-la com as mãos nuas. Isso é obviamente bastante ruim se alguém for segurar ou interagir com seu produto.

Quando você saberá que o ar quente estagnado criou um efeito de forno em sua caixa? Há dois outros fatores a considerar:

Temperatura ao toque. A temperatura na qual algo está muito quente para as mãos humanas tocarem é sempre um delta do ambiente ao redor. Para um produto em um ambiente com temperatura ambiente, o produto estará muito quente para tocar a aproximadamente 45 °C. Então isso dá um delta muito baixo de apenas 25 °C antes de algo estar muito quente para tocar.

Temperatura interna vs. externa. Quando o efeito de forno está funcionando dentro de sua caixa, a temperatura dentro da caixa tende a ser muito mais quente do que a temperatura ao toque. Mesmo para um produto em uma caixa de metal, o delta entre a temperatura ao toque e a temperatura interna poderia ser de 20 a 25 °C. Para uma caixa isolante, esse delta poderia ser muito maior.

Algumas Ideias Para Reduzir Essas Temperaturas

O problema com uma caixa quente e uma temperatura interna ainda mais quente começa com a incapacidade de mover o calor para longe dos componentes quentes. Os componentes aquecem o ar ao redor deles, em vez de aquecer algo mais com alta massa térmica (como um dissipador de calor). Adicionar mais cobre na PCB pode ajudar a espalhar um pouco o calor, mas isso não impede o efeito de forno. Isso porque o problema começa com os componentes aquecendo o ar ao redor da placa.

Algumas ideias para reduzir esse problema começam tanto com o design da placa quanto com o design do invólucro.

• Grelhas ou orifícios de ar para convecção natural
• Ventiladores montados no invólucro para resfriamento forçado
• Um grande dissipador de calor na placa ligado a um invólucro
• Construção de aletas de dissipador de calor na superfície do invólucro
• Fluxo de ar externo sobre as superfícies externas do invólucro

Todas essas opções têm como objetivo retirar o calor do invólucro, remover o ar quente de dentro do invólucro, ou ambos. Quando o efeito de forno está acontecendo em seu produto, geralmente é necessário implementar várias ideias para resfriar o dispositivo.

Olhe para alguns exemplos de eletrônicos robustos, e você verá algumas dessas características no invólucro se souber o que procurar.

Por exemplo, veja o computador embutido robusto MIL-PRF mostrado abaixo. Esses sistemas integram dissipadores de calor diretamente no invólucro por meio de um conjunto de aletas. Eles também podem incluir um ventilador de alta CFM que puxa ar ao redor dos componentes mais importantes. Juntas, essas medidas ajudam a manter os sistemas dentro de um limite de temperatura operacional seguro, bem como seguros ao toque para humanos.

Se você deseja implementar essas características em seu invólucro, então você precisa passar rapidamente os dados de design para outras disciplinas de engenharia para concluir o trabalho. Isso significa que você precisa:

• Um link direto para MCAD para um designer de invólucro mecânico
• Um link direto para um sistema de simulação térmica como o Ansys
• Capacidade de simular o fluxo de energia na PCB para identificar pontos quentes

Altium Designer® agora está oferecendo essas capacidades para avaliar de forma abrangente as placas para desempenho elétrico e térmico por meio da plataforma Altium 365™. Usuários de MCAD podem acessar uma PCB e projetar dissipadores de calor e invólucros ao redor de componentes quentes. Uma vez que isso é concluído, todo o sistema pode ser simulado compartilhando o design em um aplicativo de solução térmica. Na frente, um analisador de potência ajuda a analisar pontos quentes na placa que podem surgir devido a grandes correntes em circuitos de potência.

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