Resfriando sua PCB: Visão Geral das Técnicas Passivas de Dissipação de Calor em PCBs

Você já esteve tão quente que pensou que poderia derreter como um picolé? O verão aqui em SoCal fica bem quente e me faz desejar ter alguns geladinhos. Quando chego em casa do trabalho, adoro ligar o ar-condicionado no máximo e fingir que vivo em um iglu. No entanto, a única coisa pior do que ferver no calor é ver todo o meu dinheiro evaporar em contas de refrigeração. Outras pessoas adotam uma abordagem diferente para resfriar PCBs; eles usam formas geométricas ou trocadores de calor para resfriar suas casas de forma passiva.

Eu posso até rir quando vejo uma casa feia em forma de cúpula geodésica, mas os proprietários são os que conseguem manter a calma e o dinheiro. O resfriamento de PCBs pode ser tão irritante quanto resfriar sua casa. Sistemas de mitigação de calor consomem eletricidade e ocupam muito espaço. Felizmente para nós, os PCBs também podem se beneficiar do resfriamento passivo. Algumas das principais técnicas de resfriamento sem uso de energia incluem convecção natural, espalhadores de calor e trocadores de calor. Há até uma técnica inovadora de resfriamento de PCB por gotículas que pode surgir nos próximos anos.

Benefícios do Resfriamento Passivo em Comparação

Geralmente, eu prefiro uma técnica de resfriamento, como ar-condicionado, a uma técnica passiva, como suar profusamente. O problema com o resfriamento de PCBs é que eles geralmente consomem muita energia e ocupam muito espaço.

O consumo de energia sempre parece nos surpreender. Nunca percebo que gastei várias centenas de dólares para resfriar minha casa até receber a conta. O mesmo acontece em circuitos. Os ICs principais já consomem toneladas de Watts, então, quem se importa se você colocar um ventilador de baixa potência? Bem, se sua aplicação é de baixo consumo, o consumo extra pode significar uma vida útil da bateria muito mais curta.

Alguns designers têm o privilégio de usar todo o espaço de que precisam. Infelizmente, eu não sou um deles. Espaço é uma mercadoria preciosa na maioria dos meus projetos. Isso significa que preciso minimizar componentes de resfriamento que consomem espaço, como ventiladores, para fazer espaço para os circuitos.

Sistemas de resfriamento passivo usam fenômenos naturais para resfriar as placas, o que significa que não precisam de mais energia para funcionar. Eles também são geralmente menores do que os sistemas, embora isso possa variar com base no design escolhido.

Dissipadores de calor parecem legais e também ajudarão a manter sua PCB resfriada.

Sistemas de Resfriamento Passivo

Existem certamente algumas outras técnicas de resfriamento de PCB além das que mencionarei aqui. No entanto, estas são algumas das estratégias mais eficazes.

• Convecção Natural/Dissipadores de Calor para PCB - Convecção natural é exatamente o que parece. Embora você não necessariamente tenha que usar dissipadores de calor para tirar vantagem disso, eles são bem adequados para tal. Quando arranjados corretamente, os dissipadores de calor podem usar o fluxo de ar natural para dissipar calor sem usar energia. Se você quer projetar o dissipador de calor para PCB mais otimizado, precisará fazer alguns cálculos para obter um fluxo de ar eficiente e minimizar a camada limite. Esta solução é extremamente simples, mas ocupa mais espaço do que outras dissipações de calor passivas.

• Condução e Irradiação/Difusores de Calor - Enquanto a convecção envolve a transferência de calor em fluidos, irradiação e condução lidam com sólidos. Normalmente, os difusores de calor não são a espinha dorsal da gestão da sua resistência térmica, mas sim, a complementam. Basicamente, qualquer pedaço de metal atua como um difusor de calor, uma vez que conduzirá energia térmica. Para utilizar melhor a condução e a irradiação, você deve tentar direcionar o máximo de calor possível para as camadas externas da sua placa, onde ele pode ser irradiado de forma mais eficiente. Você pode usar vias térmicas para conduzir calor, em vez de eletricidade, para o exterior de placas multicamadas. Os grandes planos de alimentação e terra também ajudarão a dissipar o calor porque áreas maiores irradiarão de forma mais eficaz.

• Trocadores de Calor - Trocadores de calor são frequentemente utilizados em unidades de AC convencionais. Eles utilizam um refrigerante e um ciclo de vaporização/condensação para transferir calor de uma área para outra. Em PCBs, existem dois tipos principais de trocadores de calor: tubos de calor e placas frias. A principal diferença entre eles é o fator de forma; tubos de calor são finos e placas frias são largas. Esse tipo de sistema pode ser muito pequeno e transfere calor de forma eficiente. Também possui uma baixa chance de falha, uma vez que é um sistema autocontido sem partes mecânicas. 

• Resfriamento por Gotas - Este tipo experimental de resfriamento envolve o mesmo tipo de processo encontrado em trocadores de calor. A principal diferença é que o fluido em trocadores de calor percorre uma distância relativamente longa horizontalmente, enquanto aqui o fluido percorre uma curta distância verticalmente. O interessante deste sistema é que ele reage automaticamente a pontos quentes que podem se formar em circuitos integrados (ICs). Além disso, pode conduzir e irradiar energia térmica como um espalhador de calor para dissipação de energia, mas com maior efeito, porque pode conduzir tanto na direção horizontal quanto vertical.

Isso é o que acontece quando você não tem nenhum tipo de resfriamento. 

Eu posso não ser capaz de ajudá-lo a vencer o calor do verão, mas estas técnicas ajudarão você a resfriar suas placas. Todos esses processos de dissipação de calor passivo economizarão energia do seu circuito e geralmente usarão menos espaço do que um sistema. Se energia e espaço são grandes preocupações para você, tente um desses sistemas.

Técnicas passivas de resfriamento de PCB são padrão no design de PCBs e precisam ser incluídas em muitos componentes. Quando você precisar colocar um dissipador de calor, cobre adicional ou outro método de resfriamento passivo, use os recursos de design e layout de PCB de classe mundial em Altium Designer. Os usuários podem aproveitar uma plataforma de design integrada única com recursos de design de circuito e layout de PCB para criar placas de circuito fabricáveis. Quando você terminar seu design e quiser liberar arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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