-diseño térmico en electronica
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Consideraciones térmicas al diseñar un circuito electrónico.TRANSCRIPT
Consideraciones de Diseño Térmico
Disipación de potencia y especificaciones Si vamos al peor de los casos la potencia que vamos a disipar en el regulador es la siguiente: Preg = ( Vmax 5V) * Imax > Preg = (12V 5V ) * 0.2A = 1,4
Diseño Térmico
Rjc Resistencia térmica entre la unión y el encapsulado del integrado Rcs Resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador Rsa Resistencia térmica entre el disipador y el ambiente Rja Resistencia térmica entre la unión y el ambiente. Lo que nos interesa conocer, la resistencia térmica total entre el dado de silicio y el ambiente! Como no tenemos previsto poner un disipador, vamos a definir que: Rja = Rjc + Rca (Donde Rca es la Resistencia Térmica entre el encapsulado y el ambiente.) Donde Rca es la Resistencia Térmica entre el encapsulado y el ambiente. Nos vamos al datasheet para buscar esta información:
● Rjc (SOT223): 15ºC/W ● Rja: no viene y es lo que tendríamos que usar. ● Rca: no está y nos sería muy útil.
Pero, podemos calcular la temperatura a la que se encuentra el integrado y ver si cumplimos con las especificaciones del fabricante (125ºC) usando la siguiente ecuación: Tj = Tjc + Pd * Rjc Por lo tanto, lo que sabemos es que Rjc es 15ºC/W, e.d. que si estamos midiendo 125ºC en la pata del disipador y estamos consumiendo 1.4W, la temperatura de la unión es: Tj = 125ºC + 1,4 * Rjc = 125ºC + 21ºC = 146ºC
Un valor muy superior al que recomienda el fabricante. Cómo podemos resolver este problema? Simplemente evacuando calor fuera del propio regulador:
1. Podríamos pensar en poner un disipador de calor, pero estos son relativamente "caros" para nuestro propósito.
2. Disipar calor usando el propio PCB. 3. Cambiar el formato del regulador a un paquete que disipe más, e.d. con una resistencia
térmica menor (DPAK).
Lo que nos interesa es saber cual es la potencia máxima que vamos a poder disipar sin poner en riesgo el disipador. Por lo tanto: PDmax = (Tjmax Ta) / Rja Tjmax (temperatura máxima unión): 125ºC Ta (temperatura ambiente): usaremos 25ºC Rja (Resistencia térmica entre la unión y el ambiente).
Vamos a ir sustituyendo términos: PDmax = (125 25 ) / ( Rjc + Rca) = ( 100 ) / ( 15 + Rca )
Pero seguimos sin conocer Rca, ¡el fabricante del LD1117 no lo especifica en la hoja de características del componente! Seguimos sin conocer cual es la resistencia térmica entre el ambiente y el encapsulado. ¿De dónde podemos sacar esta información ya que para este componente no lo tiene publicado el fabricante? Afortunadamente, los fabricantes de semiconductores ya han hecho estos cálculos de forma experimental y proporcionan curvas que nos dan precisamente la información que necesitamos (Rja).
Resistencia térmica entre la Unión y el ambiente
En la gráfica superior podemos ver cual es la resistencia térmica de un encapsulado SOT223 en función de la superficie de cobre del PCB que se utilice como disipador. En concreto la gráfica muestra tres curvas: superficie de disipación en la misma cara que va montado el componente (top), en ambas capas (sin conexión directa entre ambas) y en la capa inferior (botton). Como podemos ver, el mejor rendimiento se obtiene cuando el cobre (disipador) está en la capa superior en contacto directo con la lengüeta del pin 4 del SOT223.
Vamos a calcular cual sería la superficie que necesitamos para disipar 2.1W. Usando: PDmax = (Tjmax Ta) / Rja Nos quedaría: Rja = 100 / 2.1W Rja = 47,62 (Resistencia térmica objetivo para conseguir disipar 2.1W)
Vemos en la gráfica que estaríamos en una franja entre 0.5in2 y 0.7in2 que manía usar unidades raras leches . Esto sería en unidades normales: 3,2cm2 y 4,5cm2. Los fabricantes también simplifican las cosas, dando información sobre disipación máxima en función de la superficie que se usa como disipador en el PCB:
Transmisión termica prolongada
La gráfica superior nos simplifica mucho la vida, podemos ver como para disipar 2.5W tendremos que usar una superficie en el PCB similar a la calculada anteriormente (3,2cm2 y 4,5cm2). Bien, pues ya tenemos nuestros disipador calculado. Para mejorar su rendimiento, lo que vamos a hacer en nuestro diseño es usar ambas capas del PCB para disipar calor, conectando cada una de ellas con “vias térmicas”. Una nota a tener en cuenta, es la cantidad de calor que es capaz de disipar el propio componente, vemos como a partir de los 3W, por mucha superficie que pongamos no es suficiente como para mantener al componente en su zona de trabajo (125ºC).