Gestión térmica de PCB: Refrigeración pasiva frente a activa

Por qué el destino de su diseño depende de la gestión térmica de la placa de circuito impreso

Incluso cuando una pieza con una vida útil nominal de 10 años a 70 °C funciona a 90 °C, su vida útil sólo sería de 2,5 años. Esta deuda térmica conduce a:

• Estrangulamiento del rendimiento: Las CPU y GPU reducen su rendimiento para evitar la autodestrucción.
• Problemas de integridad de la señal: Las trazas de las placas de circuito impreso, cuyas características eléctricas cambian con la temperatura, se convierten en fuente de errores en los datos.
• Fallo de los componentes: Los condensadores se secan, las soldaduras se agrietan y las uniones de silicona fallan.

Un control térmico eficaz de las placas de circuito impreso proporciona un buen conducto de calor hacia el mundo exterior, donde se supone que debe ir el calor tras salir de la fuente de calor, y sirve de reserva para evitar estos fallos. Los diseñadores de PCB experimentados son conscientes de que la gestión de disipación del calor por diseño afecta positivamente a la fiabilidad del sistema y a su rendimiento térmico.

Comprender la gestión térmica de las placas de circuito impreso pasivas

La gestión térmica pasiva no utiliza energía adicional para refrigerar un dispositivo. Se basa únicamente en las principales leyes de la termodinámica: conducción, convección y radiación, que son la base de la conducción del calor en los sistemas eléctricos.

• Conducción: Transferencia de calor por contacto directo (por ejemplo, entre un componente y la placa de circuito impreso).
• Convección (Natural): Transferencia de calor por movimiento del aire. El aire caliente asciende mediante procesos naturales y el aire más frío entra para ocupar el lugar del aire caliente.
• Radiación: Transferencia de calor mediante radiación electromagnética.

El objetivo de una estrategia pasiva es aprovechar al máximo estos procesos naturales. Es duradera (pocos componentes móviles) y totalmente silenciosa. Estas técnicas exigen un buen diseño térmico y una buena elección de materiales para garantizar una buena disipación del calor sin derroche de energía.

Técnicas clave para dominar la gestión térmica de las placas de circuito impreso pasivas

El primer paso antes de poner un ventilador sería maximizar la capacidad de refrigeración de tu PCB. Es la base de todos los planes de diseño térmico y una de las razones por las que la disipación eficaz del calor es siempre igual.

Colocación estratégica de componentes: Su primera línea de defensa

Su software de diseño de PCB es la herramienta térmica más asequible.

• Fuentes y víctimas en el mapa: Determine los componentes calientes (CPU, FPGA, reguladores de potencia) y los componentes sensibles (condensadores, osciladores).
• Espacio: No coloque los componentes calientes muy juntos, ya que se forma un punto caliente. La distribución de los mismos hace que la placa de circuito impreso sea un propagador natural del calor.
• Respeta el flujo de aire: Coloque las piezas sensibles fuera de la ruta de escape de las piezas calientes. No coloque un regulador de 10 W a la vista de una batería de condensadores sensible.
• El chasis como disipador térmico: Fije las piezas calientes cerca del borde de la placa para que puedan acoplarse térmicamente con la envolvente metálica. Este acoplamiento y la eficacia de la conducción térmica global mejoran con la elección adecuada del material, por ejemplo, capas de cobre de alta conductividad.

Aprovechamiento del cobre: Vías térmicas y planos de cobre

El sustrato FR-4 es un aislante térmico (~0,25 W/mK). El cobre es un conductor térmico (~400 W/mK). Tu objetivo es utilizar el cobre para crear una superautopista térmica.

• Vertidos de cobre: Utilice planos de cobre grandes y sólidos (tierra y alimentación) como dispersores del calor. Una capa de cobre de 2 onzas (70 µm de espesor) tiene una resistencia térmica significativamente menor que una capa de 1 onza (35 µm) y mejora notablemente la dispersión lateral del calor.
• Vías térmicas: Son fundamentales. Una vía térmica es un conjunto de vías situadas bajo la almohadilla térmica de un componente, "cosiéndola" a un gran plano de cobre en otra capa. De este modo, el calor se transfiere a través del FR-4 aislante a una superficie mayor (como una placa de masa interna) donde puede propagarse. Para obtener el máximo efecto, utilice diseños de vía en almohadilla e intégrelos en una fase temprana del diseño de la placa de circuito impreso.

El papel de los disipadores de calor (Heatsinks): Mejora de la convección natural

Cuando la superficie de un componente no es suficiente, se añade un disipador de calor. Un disipador de calor es un componente pasivo que aumenta drásticamente la superficie disponible para la convección natural.

Más superficie significa más contacto con el aire y más calor transferido. Para la convección natural, se necesitan disipadores de calor con aletas relativamente escasas y altas que favorezcan el ascenso del aire entre ellas sin atraparlo. Si se combinan con sólidos principios de diseño térmico, estos métodos garantizan una disipación del calor constante y eficaz en todos los ámbitos.

El siguiente nivel: ¿Qué define la gestión térmica activa de PCB?

Así que has optimizado tu diseño, estás usando 2oz de cobre, e incluso has añadido un disipador de calor, ¿y tu dispositivo sigue sobrecalentándose?

Aquí es donde la refrigeración pasiva es limitada. La refrigeración pasiva depende de la diferencia de temperatura natural entre el disipador de calor y el aire circundante. Cuando el componente produce un calor excesivo o el aire circundante ya está caliente, la convección natural no es tan eficaz para mantener un rendimiento óptimo o transferencias de calor constantes dentro del sistema.

Gestión térmica activa puede caracterizarse como el suministro de energía al sistema, como ventiladores o bombas, para provocar el mecanismo de transferencia de calor. Sustituye la débil convección natural por una convección forzada mucho más fuerte, que es uno de los mejores métodos de control térmico de la ingeniería electrónica actual.

Técnicas clave para la gestión térmica activa de placas de circuito impreso

Las medidas activas consisten en ventiladores sencillos y sistemas de refrigeración líquida muy sofisticados, todos ellos destinados a mejorar el flujo térmico y la disipación del calor en espacios compactos o de gran potencia.

Refrigeración por aire forzado: El papel de los ventiladores y soplantes

Es la refrigeración activa más extendida y menos costosa. Enfrían el aire interior y calientan el exterior añadiendo un ventilador, de ahí que sean capaces de mantener las temperaturas estables, incluso donde no hay movimiento de aire, como en el lateral de la placa, donde el calor atrapado puede subir.

A la hora de elegir un ventilador, hay que sopesar dos cosas:

1. Flujo de aire (CFM - pies cúbicos por minuto): La cantidad de aire que el ventilador puede transferir en un área vacía. Los chasis grandes y abiertos se refrigeran mejor con CFM altos.
2. Presión estática (mmH 2 O): La cantidad de fuerza que puede ejercer el ventilador contra la resistencia. El flujo de aire se ve obstaculizado en un chasis de servidor grueso de 1U. Para mover el aire y mantener una buena circulación en áreas confinadas, se necesita un ventilador de alta presión estática (también conocido como soplador) para empujar el aire donde sea necesario.

Refrigeración líquida: Placas frías y sistemas de circuito cerrado

En cargas térmicas extremas (por ejemplo, centros de datos de alto rendimiento), el aire no es adecuado como medio de refrigeración. La capacidad térmica del agua es más de 3.000 veces superior a la del aire.

Un sistema de refrigeración líquida consiste en bombear un refrigerante a través de una placa fría unida a la pieza caliente. El líquido absorbe el calor, lo bombea a un radiador (donde los ventiladores enfrían el líquido) y devuelve el líquido frío. Este enfoque de control térmico de alta tecnología mantiene la uniformidad del flujo de calor en todo el bucle y ofrece un entorno térmico estable de alto rendimiento, incluso en sistemas difíciles.

Soluciones avanzadas: Tubos de calor y refrigeradores termoeléctricos (TEC)

• Tubos de calor: Se trata de superconductores de calor. El tubo de cobre cerrado contiene un líquido que, a medida que adquiere calor, hierve y fluye en forma de vapor hacia el llamado extremo frío, se condensa y cede su calor. El líquido se recicla hacia el extremo caliente. También son muy buenos para transportar el calor a las zonas estrechas o al lateral de la placa hasta un disipador distante que el ventilador pueda manejar.
• Refrigeradores termoeléctricos (Peltiers): Se trata de pequeñas bombas de calor que son dispositivos de estado sólido. La aplicación de una corriente deja un lado frío y el otro caliente. Se aplican para enfriar puntualmente determinados sensores, pero suelen ser ineficaces porque introducen su propio calor en el sistema y, sin embargo, contribuyen a mejorar la disipación del calor en zonas localizadas.

Enfriamiento pasivo frente a activo Frente a frente

Una disyuntiva en el diseño es la refrigeración pasiva frente a la activa. He aquí cómo se comparan.

El punto de inflexión: Cuando la refrigeración pasiva no es suficiente

Ha tocado fondo. Sus simulaciones indican que la temperatura de su componente está subiendo hasta la zona roja (>100°C). Esto suele ocurrir debido a:

1. Alta densidad de potencia (TDP): Su componente produce un calor excesivo en un tamaño excesivamente pequeño.
2. Temperatura ambiente alta: Su dispositivo se coloca en un lugar caliente (una fábrica o en el coche).
3. Caja sellada: En diseño debe ser hermético al polvo o al agua (por ejemplo, IP67); es decir, no hay aerotermia.

Ahora es el momento de pasar a una solución activa. Sin embargo, esto plantea nuevos problemas de ruido, fiabilidad y polvo.

La solución activa: Refrigeración fiable para diseños compactos de ACDCFAN

La selección de la solución activa no es simplemente una cuestión de colocar cualquier ventilador; es una cuestión de colocar el ventilador correcto que resolverá su problema térmico y no creará un nuevo problema de calor.

Este es el problema para el que se construyó ACDFAN. Nuestros ventiladores son modelos de alta fiabilidad que se utilizan en diseños en los que falta espacio y el fallo no es una opción.

• Resolver la fiabilidad: El miedo a la fiabilidad es ese, el más común es el fallo de los ventiladores. Tenemos nuestra tecnología de base, que utiliza los rodamientos de bolas más avanzados y por lo tanto es capaz de alcanzar hasta un MTBF (tiempo medio entre fallos) de más de 70.000 horas. Son casi 8 años de servicio 24/7, lo que garantiza que la vida útil de nuestro ventilador será la misma que la de su producto.
• Soluciones para entornos difíciles: En entornos polvorientos, húmedos o a gran altitud, nuestro Ventiladores encapsulados resistentes al polvo y al agua con clasificación IP68 puede ofrecer la mayor protección del sector.
• Eficiencia acústica en la fabricación: Un ventilador de velocidad 100% es ruidoso y consume energía. Control de velocidad inteligente PWM (modulación por ancho de pulsos) está incorporado en nuestros ventiladores. Con esto, puede hacer que su sistema solicite refrigeración a demanda, funcionando silenciosamente con cargas bajas, y sólo aumentando la carga en condiciones térmicas severas. Esto, junto con un diseño superior de las aspas, proporciona la máxima refrigeración con el menor ruido.

Ofrecemos una solución, no un componente. Como diseño totalmente conforme (RoHS 2.0, UL, CE, TUV, EMC)podemos ofrecerle una solución técnica provisional para su diseño en 12 horas.

¿Cómo decidir qué estrategia de refrigeración de PCB es la adecuada para usted?

Este marco de toma de decisiones debe utilizarse para dar forma a su primera estrategia.

Conclusión

La gestión térmica de las placas de circuito impreso es una cuestión de equilibrio. No se trata de elegir entre "pasivo" o "activo"; se trata de empezar con una base pasiva sólida y saber cuándo complementarla con una solución activa inteligente.

Al optimizar el diseño y aprovechar el cobre de la placa de circuito impreso, los diseñadores de placas de circuito impreso consiguen una resistencia térmica "gratuita". Pero cuando la física dicta que la refrigeración pasiva no es suficiente, una solución de refrigeración activa de alta calidad no es un compromiso, sino una ventaja. Es lo que le permite superar con confianza los límites del rendimiento, sabiendo que su diseño está protegido por una gestión térmica eficaz y guiado por prácticas de disipación de calor sólidas.