No entanto, não se trata apenas de um problema elétrico. Todo o sistema necessita de funcionar em conjunto para dissipar o calor. Isto inclui garantir que os requisitos mecânicos e de design, como o tamanho e o peso, também são cumpridos.
Arrefecimento passivo
Existem duas abordagens principais para lidar com o calor gerado num sistema eletrónico: arrefecimento passivo e arrefecimento ativo. O arrefecimento passivo baseia-se exclusivamente em princípios da física: o calor gerado dissipa-se no ambiente.
A documentação da sua fonte de alimentação escolhida fornecerá orientações sobre a gama de temperaturas de funcionamento, montagem e requisitos de arrefecimento. Um bom exemplo é a unidade de 90 watts para montagem em calha DIN da série TBLC 90 da Traco Power, que utiliza arrefecimento por convecção. Esta unidade está especificada [LINK: https://www.tracopower.com/sites/default/files/products/datasheets/tblc90_datasheet.pdf] para operar entre -20 °C e +70 °C. No entanto, acima de +55 °C, a fonte de alimentação deve reduzir a carga em 2,5%/°K.
É especificada uma taxa de convecção natural de 20 pés lineares por minuto (LFM) em torno da unidade. Relativamente ao manual de instalação [LINK: https://www.tracopower.com/sites/default/files/products/installation_instructions/tblc90_installation.pdf], a orientação de montagem também está definida e indica que a circulação de ar deve ser de baixo para cima (imagem 1).
Imagem 1: A fonte de alimentação montada em calha DIN utiliza refrigeração por convecção.
A Matemática da Dissipação de Calor:
Os componentes das fontes de alimentação, como os transístores MOSFET, possuem terminais metálicos bastante robustos integrados na carcaça (Figura 2). Com o chip de silício montado nesta caixa, o calor é dissipado através do material. No entanto, existe um limite para a quantidade de calor excessivo que a carcaça pode suportar sozinha.
Para determinar este limite, deve consultar a folha de dados e verificar a resistência térmica da junção ao meio envolvente (RθJA). Isto define o aumento de temperatura esperado em graus Celsius por cada watt de potência dissipado pelo chip de silício.
Imagem 2: Os dispositivos de alimentação possuem uma aba metálica (esquerda, centro) ou uma almofada (direita) para dissipar o calor.
Deve também considerar a temperatura ambiente do local onde a sua aplicação opera. Mesmo num escritório ou numa residência, uma fonte de alimentação pode estar exposta à luz solar direta em determinadas alturas do dia, elevando a temperatura ambiente para mais de 30 °C. Este aumento pode levar os dispositivos semicondutores da unidade para além do limite de temperatura especificado.
Se o seu limite máximo de temperatura for de 150 °C (TJmáx) e a temperatura ambiente for de 30 °C (TA), apenas terá um aumento de temperatura disponível de 120 °C. Se o RθJA for de 23,9 °C/W, só poderá dissipar cerca de 5 W (PD) sem utilizar um dissipador de calor, como indicado por (TJmax – TA) ÷ RθJA.
Em qualquer caso, a aba ou a almofada metálica na fonte de alimentação não foi concebida para ser a solução definitiva de dissipação de calor. É o método pelo qual o dispositivo semicondutor pode dissipar calor numa massa térmica maior. Esta massa térmica pode ser um dissipador de calor ou a carcaça, mas também pode ser um metal incorporado na placa de circuito impresso.
Arrefecimento pelo cobre da placa de circuito impresso:
Em algumas aplicações, pode ser utilizado cobre da placa de circuito impresso. Isto pressupõe que haja espaço suficiente para criar uma superfície suficientemente grande para este fim. Para garantir uma boa ligação térmica, o terminal ou pad é soldado à placa de circuito impresso.
Outro método implica a utilização de uma placa de circuito impresso colada a uma peça de alumínio ou cobre. As lâmpadas LED são um bom exemplo de uma aplicação que depende de placas de circuito impresso coladas ao alumínio.
Se o orçamento o permitir e o projeto o exigir, também é possível ter um bloco de cobre, conhecido como moeda de cobre, embutido na placa de circuito impresso. Isto permite que componentes de dissipação de calor sejam termicamente ligados a ele (Figura 3). Este método pode ser útil quando a aplicação é selada e as grelhas de ventilação não são viáveis.
Imagem 3: Utilização de uma moeda de cobre embutida na placa de circuito impresso para dissipar o calor.
Como adicionar um dissipador de calor:
Os dissipadores de calor e as placas de circuito impresso utilizam alumínio ou cobre e equilibram a massa total com a área da superfície para proporcionar a dissipação de calor desejada. Estes dispositivos possuem normalmente diversas alhetas ou saliências para atingir este objetivo.
Ambos os materiais apresentam boas propriedades térmicas (237 W/m²K para o alumínio e 401 W/m²K para o cobre). O custo da matéria-prima do alumínio é três vezes e meia inferior ao do cobre.
Para garantir uma boa aderência térmica, é aplicada uma almofada ou pasta térmica na flange da fonte de alimentação e fixada com um parafuso, proporcionando uma fixação mecânica.
Para calcular a resistência térmica total quando se utiliza um dissipador de calor, é necessário considerar a resistência térmica da junção com a carcaça (RθJC) do dispositivo semicondutor, juntamente com a resistência térmica do dissipador e da pasta térmica. Considerando que a resistividade térmica (RθJC) do semicondutor é de 1,7 °C/W, a do dissipador de calor é de 2,67 °C/W e a da pasta térmica é de 0,33 °C/W, a resistência térmica total (RTOTAL) é de 1,7 + 2,67 + 0,33 = 4,7 °C/W. A temperatura de funcionamento deste conjunto é então calculada através de (PD × RTOTAL) + TA.
Assim, quando 5 W são dissipados como acima a uma TA de 30 °C, podemos esperar que a temperatura suba para (5 × 4,7) + 30 = 53,5 °C.
Arrefecimento Ativo:
Há casos em que um dissipador de calor é insuficiente. Isto pode ocorrer em todas as condições de funcionamento ou apenas em condições extremas. Para resolver este problema, temos a opção de arrefecimento ativo, que consiste na integração de um ventilador.
Isto faz sentido, mas também se torna um potencial ponto de falha. Quando o conversor depende de ar forçado para manter a unidade dentro da gama de temperaturas especificada, é necessário garantir que o ventilador roda quando ativado, podendo até ser necessário monitorizar continuamente a velocidade do ventilador. Felizmente, muitos fornecedores de semicondutores oferecem controladores de ventilador, como o EMC2301 da Microchip Technology [LINK: https://www.microchip.com/en-us/product/emc2301]. Estes dispositivos I2C/SMBus são fáceis de integrar com microcontroladores, incluem normalmente controlo em malha fechada e permitem a monitorização contínua do ventilador.
Como alternativa, o arrefecimento líquido é uma opção. Isto é comum em veículos elétricos, onde os IGBTs, MOSFETs e módulos de potência estão integrados em inversores de motor e conversores de potência de alta densidade.
Resumo:
A importância do design térmico está a aumentar à medida que as aplicações exigem fontes de alimentação cada vez mais pequenas, mais compactas e com maior densidade de potência. No entanto, os métodos para lidar com este desafio dependem do orçamento disponível e das restrições de projeto. A abordagem preferida e de menor custo é o arrefecimento passivo por convecção natural e um dissipador de calor. O arrefecimento ativo, como o fluxo de ar forçado através de um ventilador, é o passo seguinte, mas requer monitorização do ventilador. Se o ventilador falhar, a fonte de alimentação sobreaquecerá rapidamente e ficará inoperável. Para lidar com os desafios térmicos, leia sempre atentamente a ficha técnica e o manual de instalação e, se algo não estiver claro, conte com fornecedores como a Traco Power, que estão sempre prontos para prestar apoio técnico.
Autor:
Artigo disponibilizado pela Traco Electronic AG – http://www.tracopower.com
