A redução do tamanho do sistema, graças às frequências de comutação mais elevadas e à miniaturização dos semicondutores, impulsionou inicialmente esta tendência. No entanto, melhorias mais recentes também se basearam em avanços no design termomecânico, especialmente de componentes de gestão de energia.
Para além da Caixa:
As últimas décadas testemunharam enormes avanços na miniaturização de semicondutores. Durante os 30 anos entre 1982 e 2012, os processos comercialmente disponíveis para o fabrico de lógica CMOS reduziram o tamanho dos nós de 1,5 μm para 22 nm (Figura 1). O consequente aumento da densidade funcional — superior a 4600:1 — alterou o processo de conceção de produtos eletrónicos, não apenas nos núcleos de processamento ou subsistemas de memória, mas em todo o produto.
No início deste período, os produtos eletrónicos ofereciam geralmente uma baixa densidade funcional e tinham requisitos energéticos modestos. Os projetos de fontes de alimentação dependiam de componentes discretos e de métodos de arrefecimento pouco eficientes. Embora a eficiência energética fosse baixa para os padrões actuais, era suficiente tendo em conta os baixos requisitos energéticos dos produtos e o tamanho considerável da carcaça.
Entre os exemplos mais conhecidos destes projetos ainda hoje em uso estão as fontes de alimentação tipo "caixa prateada" que alimentam os computadores de secretária. Por exemplo, uma ATX12V de 400 W baseia-se num design predominantemente discreto (Figura 2). Os dissipadores de calor individuais arrefecem os MOSFET de potência e os retificadores de saída, mas o design térmico global resulta em gradientes térmicos acentuados que se tornam problemáticos a altas temperaturas ambiente. Com uma eficiência típica de 80%, o formato de 138 x 86 x 140 mm oferece uma densidade de potência de apenas 0,24 W/cm³. As fontes de alimentação ATX que cumprem os critérios 80 Plus Platinum quase duplicam este valor para 0,42 W/cm³, mas a sua densidade de potência é ainda insuficiente e impraticável para a maioria das aplicações em escritórios centrais e centros de dados.
A miniaturização progressiva dos semicondutores tornou necessárias alterações nas arquiteturas dos subsistemas de alimentação. Os circuitos integrados fabricados com nós de processo mais pequenos requerem tensões de funcionamento cada vez mais baixas e tolerâncias de tensão de alimentação mais rigorosas. Densidades funcionais mais elevadas aumentam as correntes de alimentação, e a elevada variabilidade nos requisitos de recursos amplifica consideravelmente a dinâmica da corrente de carga. Nestas condições de carga, os projetos que separam as fontes de alimentação das suas cargas com extensos cabos de cobre não conseguem proporcionar o desempenho exigido por estes circuitos integrados compactos.
O formato compacto e atrativo
levou ao aparecimento de diversas estruturas alternativas como tentativas de otimizar subsistemas de energia para diferentes configurações de carga. Por exemplo, aplicações de longa duração, como as placas de linha de comunicação, substituíram as grandes e ineficientes fontes de alimentação com múltiplas saídas por arquiteturas de energia distribuída. Estes projetos dependem de conversores CA/CC redundantes de saída única para garantir que a fiabilidade da tensão distribuída, normalmente 48 V, cumpre os requisitos de tempo de operação do sistema. As placas de linha incorporam frequentemente conversores do tipo "bloco" seguidos de vários reguladores de ponto de carga (POL) não isolados para alimentar recursos individuais.
Os subsistemas de alimentação refrigerados a ar, essencialmente discretos, possuem superfícies irregulares para a entrada de ar frio, resultando num fluxo de ar turbulento que pode levar a áreas de sombra térmica e pontos quentes. Os conversores encapsulados do tipo bloco utilizam compostos impregnantes para criar dispositivos essencialmente isotérmicos. Dentro do encapsulamento, os dispositivos de potência são acoplados termicamente a uma placa de base de alumínio, proporcionando assim uma única superfície de arrefecimento. O arrefecimento pode ocorrer por condução, convecção forçada de ar ou uma combinação de ambos.
A superfície da placa de base oferece uma grande área de contacto para a montagem de um dissipador de calor. Este design termomecânico permite uma potência máxima de saída de 600 W com um encapsulamento de 117 x 55,9 x 26 mm e um dissipador de calor de 12,7 mm (incluído), resultando numa densidade de potência de 3,5 W/cm³, o que representa uma melhoria de uma ordem de grandeza em relação aos designs convencionais de encapsulamento rígido.
Devido ao aumento contínuo da densidade funcional, o formato de bloco deu lugar a tamanhos fraccionários — meio bloco, um quarto de bloco e um oitavo de bloco — e as gerações sucessivas proporcionaram uma capacidade de potência cada vez maior. As superfícies de arrefecimento cada vez mais pequenas do bloco fracionado representaram um desafio térmico para os projetos de sistemas e aumentaram as densidades funcionais e de potência (Figura 3). Este desafio tem sido particularmente acentuado em aplicações com temperaturas ambiente típicas crescentes, como arrays de servidores e data centers.
Melhorias no arrefecimento:
A elevada densidade funcional da maioria das aplicações eletrónicas atuais torna o design térmico uma parte importante do desenvolvimento de novos produtos. As exigências e dinâmicas atuais que caracterizam a maioria dos produtos exigem que o subsistema de gestão de energia seja integrado no projeto funcional, rompendo com a visão tradicional dos subsistemas como componentes isolados.
Com cargas elétricas — dissipadores de calor — e componentes de gestão de energia (dissipadores de calor monofásicos) posicionados nas placas de sistema, o desafio aumenta a temperaturas de funcionamento mais elevadas: o calor excessivo reduz a fiabilidade dos componentes eletrónicos. Além disso, os projetistas devem considerar este fator ao selecionar as especificações dos componentes de potência para o funcionamento a temperaturas elevadas. Sem métodos eficazes de remoção de calor, os projetos dos estágios de potência apresentam frequentemente dimensões excessivas, resultando em sistemas maiores, mais pesados e mais dispendiosos.
Assim, embora um avanço como as tecnologias de encapsulamento em formato de tijolo tenha sido tão importante, e embora os formatos de tijolo continuem a cumprir a sua função do ponto de vista da simplicidade, a indústria cresceu e passou a necessitar de dispositivos de gestão de energia ainda mais densos, que vão para além do âmbito do arrefecimento puramente unilateral.
Um exemplo de um encapsulamento avançado que melhora o processamento de energia e o desempenho é a tecnologia Converter-in-Package (ChiP) da Vicor. Os dispositivos baseados em ChiP utilizam configurações simétricas que posicionam dissipadores de calor em ambos os lados de uma placa de circuito impresso central. Um encapsulante termicamente condutor transfere o calor para as superfícies superior e inferior, dobrando efetivamente a área superficial de arrefecimento relativa da placa no dispositivo (Figura 4). Com um design adequado da placa de sistema, o calor adicional também pode ser conduzido através dos contactos elétricos.
A combinação de uma elevada eficiência — pico de 97,5% para conversores de barramento de 380 V para 12 V — e um design térmico simétrico com materiais avançados pode fornecer 1,5 kW. Incluindo dissipadores de calor e uma ventoinha, um conjunto de 40 x 40 x 100 mm oferece uma densidade de potência de 9,4 W/cm³ (Figura 5).
Tecnologias de encapsulamento avançadas como esta fornecem técnicas de gestão térmica 3D para formatos de montagem em superfície ou de encaixe. Os dispositivos magnéticos integrados promovem designs que requerem apenas alguns componentes externos, poupando tempo de ciclo de design, espaço na placa de circuito impresso e custos de montagem do produto.
O encapsulador promove uma transferência de calor eficiente, juntamente com um nível de isolamento de segurança que cumpre os requisitos de gestão de energia de alta tensão e as normas internacionais de segurança. Isto permite que a mesma tecnologia de encapsulamento seja aplicada a uma grande variedade de funções de gestão de energia. Estas incluem a conversão CA/CC com correção do fator de potência; conversão de barramento isolado; conversão CC/CC; regulação buck, boost e buck-boost; e multiplicação de corrente POL. Uma única tecnologia de encapsulamento aplicável a todas as tarefas de gestão de energia, desde o estágio de entrada até ao POL, pode também simplificar o design termomecânico do sistema, unificando os perfis dos dispositivos e as características térmicas.
As capacidades e a escalabilidade variam entre os diferentes fabricantes de componentes de potência, por isso analise cuidadosamente as ofertas de cada empresa. Os componentes baseados em chips da Vicor, por exemplo, podem atingir perfis finos de 4,7 mm e dimensões que variam entre 6 x 23 mm e 61 x 23 mm, estando atualmente em fase significativa de desenvolvimento. Podem lidar com correntes até 180 A e tensões de funcionamento de 430 V, com estes valores a aumentar. A empresa demonstrou a sua capacidade de fornecer até 1,5 kW nesta tecnologia de encapsulamento, e espera-se que este valor também aumente.
Em aplicações de baixa potência, como os conversores POL, o tamanho reduzido e o encapsulamento de baixo perfil oferecem aos designers de sistemas uma maior flexibilidade para minimizar o comprimento das pistas entre o conversor de potência e a carga. Ao alimentar recursos digitais caracterizados por elevadas correntes dinâmicas, como ASICs, processadores ou subsistemas de memória, a baixa perda e a baixa indutância da fonte de alimentação garantem uma regulação precisa e uma resposta rápida aos transitórios de carga, que é onde realmente importa.
Este tipo de tecnologia de encapsulamento é também adequado para conversores com uma elevada relação de tensão, o que permite aos projetistas, em algumas aplicações, eliminar todo o estágio de conversão, reduzir o custo do sistema, aumentar a eficiência operacional do estágio de potência de ponta a ponta e aumentar a fiabilidade.
