Sin embargo, no se trata solo de un problema eléctrico. Para la disipación del calor se necesita el trabajo de todo el equipo. Este debe asegurar que también se cumplan las exigencias mecánicas y de diseño, como el tamaño y el peso.
Refrigeración pasiva
Hay dos enfoques principales para hacer frente al calor generado en un sistema electrónico: la refrigeración pasiva y la refrigeración activa. La refrigeración pasiva depende exclusivamente de la física: el calor generado se disipa en el entorno.
La documentación de la fuente de alimentación que haya escogido le proporcionará orientación sobre el rango de temperatura, el montaje y las necesidades de refrigeración. Un buen ejemplo es la serie TBLC 90 de Traco Power de 90 vatios con un diseño de montaje de rail DIN que utiliza refrigeración por convección. Esta unidad se especifica [LINK: https://www.tracopower.com/sites/default/files/products/datasheets/tblc90_datasheet.pdf] para operar entre -20 °C a +70 °C. Sin embargo, por encima de los +55 °C, la fuente debe reducir la carga un 2,5 %/°K.
Se especifica una convección natural de 20 pies lineales por minuto (LFM) alrededor de la unidad. Respecto al manual de instalación [LINK: https://www.tracopower.com/sites/default/files/products/installation_instructions/tblc90_installation.pdf], la orientación del montaje también viene definida e indica que la circulación del aire debe ser de abajo a arriba (imagen 1).
Imagen 1: La fuente de alimentación de montaje en rail DIN depende de la refrigeración por convección.
Las matemáticas de la disipación
Los componentes de una fuente de alimentación, como los transistores MOSFET, tienen pestañas metálicas bastante robustas integradas en la carcasa (imagen 2). Con la pastilla de silicio montada en esta pieza de la carcasa, el calor se disipa a través de dicho material. Sin embargo, existen límites a la cantidad de exceso de calor que la carcasa puede manejar sola.
Para determinar dicho límite, debe revisar la ficha técnica y consultar la resistencia térmica de la unión al ambiente RθJA. Esto define el incremento de temperatura esperado en grados Celsius por cada vatio de energía que disipa la pastilla de silicio.
Imagen 2: los dispositivos de alimentación tienen una pestaña de metal (izquierda, centro) o una almohadilla (derecha) para disipar el calor.
Asimismo, debe tener en cuenta la temperatura ambiente del entorno en el que opera su aplicación. Incluso en una oficia o en casa, una fuente de alimentación puede estar expuesta a la luz directa del sol en ciertos momentos del día, lo que eleva la temperatura ambiente a más de 30 °C. Un incremento de este tipo puede impulsar los dispositivos semiconductores de la unidad por encima de su límite de temperatura especificado.
Si su límite máximo de temperatura es de 150 °C (TJmax) y la temperatura ambiente es de 30 °C (TA), solo tiene disponible un incremento de temperatura de 120 °C. Si la RθJA es de 23,9 °C/W, solo podrá disipar cerca de 5 W (PD) sin necesidad de utilizar un disipador térmico, como indica (TJmax – TA) ÷ RθJA.
En cualquier caso, la pestaña o la almohadilla metálicas del dispositivo de alimentación no están diseñadas para ser «la» solución a la disipación de calor. Es el método mediante el cual el dispositivo semiconductor puede disipar calor en una masa térmica mayor. Esto puede ser un disipador térmico o la carcasa, pero también podría ser un metal integrado en la placa de circuito impreso.
Refrigeración hacia el cobre de su placa de circuito impreso
En algunas aplicaciones se puede utilizar el cobre de la placa de circuito impreso. Esto supone que hay espacio suficiente para crear una superficie suficientemente grande para este propósito. Para asegurar una buena unión térmica, la pestaña o almohadilla se suelda a la placa de circuito impreso.
Otro método consiste en utilizar una placa de circuito impreso unida a una pieza de aluminio o cobre. Las lámparas LED son un buen ejemplo de una aplicación que depende de placas de circuito impreso unidas a aluminio.
Si el presupuesto lo permite y el diseño lo requiere, también es posible tener un bloque de cobre, conocido como copper coin, incrustado en la placa de circuito impreso. Esto permite que los componentes disipadores del calor estén unidos térmicamente a él (figura 3). Este método puede servir de ayuda cuando la aplicación está sellada y las rejillas de ventilación no son viables.
Imagen 3: empleo de una copper coin incrustada en la placa de circuito impreso para disipar el calor.
Cómo añadir un disipador térmico
Los disipadores térmicos y las placas de circuito impreso utilizan aluminio o cobre y equilibran la masa total con el área de superficie para proporcionar la disipación de calor deseada. Dichos dispositivos suelen tener numerosas aletas o salientes para lograrlo.
Ambos materiales tienen buenas propiedades térmicas (237 W/m K para Al y 401 W/m K para Cu). El precio de la materia prima del aluminio es tres veces y media menor que el del cobre.
Para asegurar una buena unión térmica, se aplica una almohadilla o pasta térmica sobre la pestaña del dispositivo de alimentación con un tornillo, lo que proporciona la fijación mecánica.
Para calcular la resistencia térmica total cuando utilizamos un disipador térmico, necesita la resistencia térmica de la unión a la carcasa (RθJC) del dispositivo semiconductor junto con la del disipador térmico y de la pasta térmica. Suponiendo que la RθJC del semiconductor es de 1,7 °C/W, disipador térmico de 2,67 °C/W y pasta térmica de 0,33 °C/W, la resistencia térmica total (RTOTAL) es de 1,7 + 2,67 + 0,33 = 4,7 °C/W. La temperatura de servicio de este montaje se calcula entonces utilizando (PD × RTOTAL) + TA.
Por lo tanto, cuando se disipa 5 W como arriba en TA de 30 °C, podemos esperar que la temperatura aumente a (5 × 4,7) + 30 = 53,5 °C.
Refrigeración activa
Hay casos en los que un disipador térmico no es suficiente. Esto puede presentarse en todas las condiciones de funcionamiento o únicamente en los extremos de operación. Para enfrentarnos a ello tenemos como opción la refrigeración activa, lo que se traduce en la integración de un ventilador.
Esto tiene sentido, pero también se convierte en un punto potencial de fallo. Cuando el convertidor depende de aire forzado para mantener la unidad dentro del rango de temperatura especificado, debe asegurarse de que el ventilador gira cuando está activado e incluso es posible que quiera supervisar la velocidad del ventilador de forma continuada. Por suerte, muchos proveedores de semiconductores ofrecen controladores de ventilador, como EMC2301 de Microchip Technology [LINK: https://www.microchip.com/en-us/product/emc2301]. Estos dispositivos I2C/SMBus son fáciles de integrar con microcontroladores, a menudo incluyen control en lazo cerrado y permiten supervisar el ventilador en todo momento.
De forma alternativa, la refrigeración líquida es una opción. Esto es habitual en vehículos electrónicos, donde los IGBT, los MOSFET y los módulos de alimentación se integran en inversores de motor y convertidores de potencia de alta densidad de potencia.
Resumen
La importancia del diseño térmico está aumentando debido a que las aplicaciones requieren fuentes de alimentación cada vez más pequeñas, más compactas y de alta densidad de potencia. Sin embargo, los métodos para resolver este reto dependen del presupuesto disponible y las restricciones de diseño. El enfoque preferido y de menor coste es la refrigeración pasiva a través de la convección natural y un disipador térmico. La refrigeración activa, por ejemplo el flujo de aire forzado mediante un ventilador, es el paso siguiente, pero requiere una supervisión del ventilador. Si el ventilador falla, la fuente de alimentación se recalienta rápidamente y queda inoperativa. Para hacer frente a los retos térmicos, lea siempre la ficha técnica y el manual de instalación cuidadosamente y si algo no está claro, cuente con proveedores como Traco Power que siempre están dispuestos a ofrecerle soporte técnico.
Autor:
Artículo cedido por Traco Electronic AG – http://www.tracopower.com
