Como Projetar um Protótipo de PCB Térmico

Problemas térmicos em PCBs muitas vezes são negligenciados e podem não ser abordados até que um design tenha passado por uma rodada de prototipagem. Obviamente, a prototipagem é cara e as equipes de design não podem gastar infinitos dólares em iterações de protótipos, mas podem transferir parte do trabalho de teste para iterações de protótipos de menor custo. Uma maneira de abordar isso sob a perspectiva térmica é realizar um protótipo térmico.

Esses protótipos não são destinados a ser elaborados ou caros; são placas de baixo custo que apresentam apenas alguns componentes, e são especificamente projetados para avaliar as demandas térmicas em certos circuitos. Eles também servem a múltiplos propósitos em alguns casos, que podem estar relacionados a testes ambientais, testes mecânicos e testes funcionais básicos.

O Que Você Precisa no Seu Protótipo Térmico

Um protótipo térmico pode ser construído como uma pequena placa de circuito que contém um número limitado de componentes. Especificamente, deve conter apenas os principais componentes que você deseja testar para desempenho térmico e confiabilidade. O objetivo é colocar apenas os circuitos com perfis térmicos desconhecidos para que estes possam ser medidos diretamente.

Quando a carga térmica em um sistema é desconhecida, sempre existem algumas questões sem resposta sobre a construção da placa. Qual peso de cobre deve ser usado? São necessárias planícies em camadas específicas? É necessário um material avançado de alta condutividade térmica, ou materiais genéricos de grau FR4 funcionarão conforme a especificação? Protótipos térmicos permitem que você investigue esses pontos e muito mais.

• Duplicatas de circuitos de teste térmico com componentes variantes
• Muitos pontos de teste em pinos não utilizados, componentes importantes de energia, etc.
• Conectores ou cabeçalhos para acessar quaisquer sinais de configuração e interfaces necessários
• Quaisquer componentes de suporte que também possam criar calor excessivo
• Para componentes passivos ou indutivos, selecione peças com embalagens comuns para fácil troca durante os testes

O layout da PCB para o seu circuito de teste deve corresponder o mais próximo possível à construção da placa pretendida, mas com o menor risco possível. A maioria das placas de teste térmico para ASICs pode ser feita durante a fase de engenharia front-end, então, para simplificar, considere construir o circuito de aplicação a partir da folha de dados em vez da sua solução personalizada. Para ASICs de gerenciamento de energia, certifique-se de colocar seus indutores, transformadores, choques, etc. pretendidos, pois estes também podem ser grandes geradores de calor.

Uma vez projetado, o protótipo térmico pode ser colocado em produção em uma instalação de fabricação e montagem de baixo custo no exterior. Geralmente, você não está projetando algo com propriedade intelectual sensível, e o número de colocações de componentes durante a montagem deve ser baixo. Através da simplificação significativa do layout da PCB e da BOM, você pode reduzir o custo de construção ao mínimo possível.

Medições em Prototipagem Térmica

Uma vez projetado e produzido, seu protótipo térmico precisa ser testado e a temperatura precisa ser medida. Qual é a melhor maneira de fazer isso?

O método que fornecerá as leituras mais precisas na e ao redor do circuito em teste é a medição de temperatura com uma câmera infravermelha. Há uma enorme gama de câmeras infravermelhas disponíveis com vários níveis de resolução e alcance de detecção. Existem pequenos módulos que podem ser conectados ao seu smartphone e há imagens de mão maiores que podem fornecer mapas de temperatura em tempo real de alta resolução (como as imagens mostradas abaixo).

Imagens térmicas fornecidas por Mark Harrisneste artigo.

Para placas de protótipo térmico mais elaboradas, como ASICs com interfaces digitais, pode ser necessário realizar alguma configuração ao vivo. É aqui que você precisará incluir conexões com um registrador de dados ou DAQ, ou uma conexão serial para uma interface na PCB. Isso permitirá que você controle a interface serial e monitore os estados de I/O enquanto testa o dispositivo.

O Que Dizer Sobre Placas de Desenvolvimento e Placas de Avaliação?

A prototipagem térmica é onde as placas de desenvolvimento (dev boards) e as placas de avaliação (eval boards) têm a chance de brilhar!

Placas de desenvolvimento (dev boards) são mais frequentemente usadas como protótipos de desenvolvimento para microcontroladores ou FPGAs, onde o usuário pode construir firmware e aplicações em torno de um componente específico. Placas de avaliação (eval boards) são modulares e podem ser conectadas em uma montagem ad hoc com fios, para que você possa testar como diferentes conjuntos de componentes podem trabalhar juntos em um sistema.

Seja uma placa de desenvolvimento ou uma placa de avaliação, o produto também pode ser usado como um protótipo térmico. Essas placas podem ser testadas em alta potência, ou em ambientes de alta temperatura, enquanto interagem com outros equipamentos ou executando uma aplicação. Por exemplo, você poderia:Execute o circuito em uma câmara ambiental

• Execute o circuito próximo aos seus limites de potência ou temperatura
• Coloque o circuito em uma caixa com um ventilador DC em funcionamento
• Experimente com dissipadores de calor e materiais de interface térmica

Placas de avaliação e de desenvolvimento nem sempre refletem perfeitamente o circuito pretendido, mas às vezes elas se aproximam o suficiente para que você obtenha dados razoáveis sobre o perfil térmico para o componente em teste. Por exemplo, na placa de avaliação de acionamento de portão mostrada abaixo, você poderia obter excelentes dados térmicos para um sistema de potência baseado em SiC.

A placa de avaliação Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 para acionar transistores SiC e módulos de potência.

Nem todos os componentes estão disponíveis com placas de desenvolvimento ou de avaliação, mas quando estas placas estão disponíveis, elas podem ser adquiridas de muitos distribuidores. Confira o Octopart e procure por “placa de avaliação” para ver o que está disponível. Você também pode olhar nos sites dos fabricantes de componentes para encontrar seus materiais de design de referência e opções de placas de avaliação.

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