Gestão térmica de PCB: Arrefecimento Passivo vs. Arrefecimento Ativo

Porque é que o destino do seu projeto depende da gestão térmica da placa de circuito impresso

Mesmo quando uma peça que está classificada para durar 10 anos a 70 °C é utilizada a 90 °C, a sua vida útil será apenas de 2,5 anos. Esta dívida térmica leva a:

• Limitação do desempenho: As CPUs e GPUs reduzem o seu desempenho para evitar a auto-destruição.
• Problemas de integridade do sinal: Os traços de PCB, cujas caraterísticas eléctricas se alteram com a temperatura, tornam-se a fonte de erros de dados.
• Falha de componentes: Os condensadores secam, as juntas de soldadura racham e as junções de silício falham.

Um controlo térmico eficaz da placa de circuito impresso proporciona uma boa conduta de calor para o mundo exterior, para onde o calor deve ir depois de sair da fonte de calor, e serve de apoio para evitar tais falhas. Os projectistas de PCB experientes estão cientes do facto de que a gestão de dissipação de calor por projeto afecta positivamente a fiabilidade do sistema e o seu desempenho térmico.

Compreender a gestão térmica de PCBs passivas

A gestão térmica passiva não utiliza energia adicional para arrefecer um dispositivo. Baseia-se apenas nas principais leis da termodinâmica: condução, convecção e radiação - todas elas são a base da condução de calor em sistemas eléctricos.

• Condução: Transferência de calor por contacto direto (por exemplo, entre um componente e a placa de circuitos impressos).
• Convecção (Natural): Transferência de calor através do movimento do ar. O ar quente é trazido para cima através de processos naturais, e o ar mais frio é trazido para ocupar o lugar do ar quente.
• Radiação: Transferência de calor através de radiação electromagnética.

O objetivo de uma estratégia passiva é tirar o máximo partido destes processos naturais. É durável (poucos componentes móveis) e totalmente silenciosa. Estas técnicas requerem uma boa conceção térmica e uma boa escolha de materiais para garantir que o calor é bem dissipado sem desperdício de energia.

Técnicas-chave para dominar a gestão térmica de PCBs passivas

O primeiro passo antes de colocar uma ventoinha seria maximizar a capacidade de arrefecimento da sua PCB. É a base de todos os planos de conceção térmica e uma das razões pelas quais a dissipação de calor eficaz é sempre a mesma.

Colocação estratégica de componentes: A sua primeira linha de defesa

O seu software de apresentação de PCB é a ferramenta térmica mais acessível.

• Fontes e vítimas no mapa: Determinar os componentes quentes (CPUs, FPGAs, reguladores de potência) e os componentes sensíveis (condensadores, osciladores).
• Espaço: Não colocar os componentes quentes muito próximos uns dos outros, pois isso forma um ponto quente. A sua distribuição faz com que a placa de circuitos impressos seja um disseminador natural de calor.
• Respeitar o fluxo de ar: posicionar as peças sensíveis fora da via de extração das peças quentes. Não colocar um regulador de 10W à vista de uma bateria de condensadores sensível.
• Chassis como dissipador de calor: Fixar as partes quentes perto do bordo da placa, de modo a que possam estar termicamente ligadas ao invólucro metálico. Este acoplamento e a eficiência da condução global do calor são melhorados pela escolha adequada do material, por exemplo, camadas de cobre de alta condutividade.

Aproveitamento do cobre: Vias térmicas e planos de cobre

O seu substrato FR-4 é um isolador térmico (~0,25 W/mK). O seu cobre é um condutor térmico (~400 W/mK). O seu objetivo é utilizar o cobre para criar uma autoestrada térmica.

• Cobre derrama: Utilize planos de cobre grandes e sólidos (terra e potência) como dissipadores de calor. Uma camada de cobre de 2 oz (70µm de espessura) tem uma resistência térmica significativamente menor do que uma camada de 1 oz (35µm) e melhora drasticamente a propagação lateral do calor.
• Vias térmicas: Estas são críticas. Uma via térmica é um conjunto de vias colocadas sob a almofada térmica de um componente, "costurando-o" a um grande plano de cobre noutra camada. Isto transfere o calor através do FR-4 isolante para uma área de superfície maior (como um plano de terra interno) onde pode ser espalhado. Para obter o máximo efeito, utilize designs de via-in-pad e integre-os no início da disposição da PCB.

O papel dos dissipadores de calor (Heatsinks): Melhorar a convecção natural

Quando a própria área de superfície de um componente não é suficiente, adiciona-se um dissipador de calor. Um dissipador de calor é um componente passivo que aumenta drasticamente a área de superfície disponível para convecção natural.

Mais área de superfície significa mais contacto com o ar e mais calor transferido. Para a convecção natural, são necessários dissipadores de calor com alhetas relativamente esparsas e altas para incentivar o ar a subir entre elas sem o prender. Quando combinados com princípios sólidos de conceção térmica, estes métodos garantem uma dissipação de calor estável e eficaz em toda a linha.

O próximo nível: O que define a gestão térmica de PCB ativa?

Então, optimizou a sua disposição, está a utilizar 2oz de cobre e até adicionou um dissipador de calor, mas o seu dispositivo continua a sobreaquecer?

É aqui que o arrefecimento passivo é limitado. O arrefecimento passivo depende da diferença natural de temperatura entre o dissipador de calor e o ar circundante. Quando o componente produz calor excessivo ou o ar circundante já está quente, a convecção natural não é tão eficaz para manter um desempenho ótimo ou transferências de calor constantes no sistema.

Gestão térmica ativa pode ser caracterizado como o fornecimento de energia ao sistema, como ventoinhas ou bombas, para provocar o mecanismo de transferência de calor. Substitui a fraca convecção natural por uma convecção forçada muito mais forte, que é um dos melhores métodos de controlo térmico na engenharia eletrónica atual.

Técnicas-chave para a implementação da gestão térmica ativa de PCB

As medidas activas consistem em ventiladores simples e sistemas de arrefecimento líquido altamente sofisticados, todos destinados a melhorar o fluxo de calor e a dissipação do calor em espaços de elevada potência ou compactos.

Arrefecimento por ar forçado: O papel dos ventiladores e sopradores

Este é o arrefecimento ativo mais comum e menos dispendioso. Ar frio no interior e ar quente no exterior através da adição de uma ventoinha, pelo que conseguem manter as temperaturas estáveis, mesmo onde não há movimento de ar, como na parte lateral do quadro, onde o calor retido pode subir.

Ao escolher um ventilador, é necessário fazer duas escolhas:

1. Caudal de ar (CFM - pés cúbicos por minuto): A quantidade de ar que a ventoinha pode transferir numa área vazia. Os chassis grandes e abertos são melhor arrefecidos com um CFM elevado.
2. Pressão estática (mmH 2 O): A quantidade de força que a ventoinha pode exercer contra a resistência. O fluxo de ar é impedido num chassis de servidor 1U espesso. Para mover o ar e manter uma boa circulação em áreas confinadas, é necessário um ventilador de alta pressão estática (também conhecido como soprador) para empurrar o ar para onde ele é necessário.

Arrefecimento líquido: Placas frias e sistemas de circuito fechado

Em cargas térmicas extremas (por exemplo, centros de dados de alto desempenho), o ar não é adequado como meio de arrefecimento. A capacidade térmica da água é superior à do ar em mais de 3.000 vezes.

Um sistema de arrefecimento líquido envolve a bombagem de um líquido de arrefecimento através de uma placa fria ligada à peça quente. O calor é absorvido pelo líquido, bombeado para um radiador (onde as ventoinhas arrefecem o líquido) e o líquido frio é devolvido. Esta abordagem de controlo térmico de alta tecnologia mantém a uniformidade do fluxo de calor em todo o circuito e oferece um ambiente térmico estável de sistemas de elevado desempenho, mesmo em sistemas difíceis.

Soluções avançadas: Tubos de calor e refrigeradores termoeléctricos (TECs)

• Tubos de calor: Estes são supercondutores de calor. O tubo de cobre fechado contém um líquido que, à medida que adquire calor, entra em ebulição e flui como vapor para a chamada extremidade fria, condensa-se e cede o seu calor. O líquido é reciclado para a extremidade quente. São também muito bons a transportar o calor para áreas apertadas ou para o lado da placa para um dissipador de calor distante que a ventoinha possa suportar.
• Refrigeradores termoeléctricos (Peltiers): São pequenas bombas de calor que são dispositivos de estado sólido. A aplicação de uma corrente deixa um lado frio e o outro quente. São aplicados para arrefecer determinados sensores, mas são normalmente ineficazes, uma vez que introduzem o seu próprio calor no sistema e, no entanto, contribuem para uma melhor dissipação de calor em áreas localizadas.

Arrefecimento passivo vs. ativo frente a frente

Um compromisso de design é a decisão de arrefecimento passivo versus ativo. Eis como se comparam.

O ponto de viragem: Quando o arrefecimento passivo não é suficiente

Atingiu o limite mínimo. As suas simulações indicam que a temperatura do seu componente está a subir para a zona vermelha (>100°C). Isto acontece frequentemente devido a:

1. Alta densidade de potência (TDP): O seu componente produz calor excessivo num tamanho excessivamente pequeno.
2. Temperatura ambiente elevada: O dispositivo é colocado num local quente (numa fábrica ou no automóvel).
3. Invólucro selado: O desenho tem de ser hermético contra o pó ou a água (por exemplo IP67); ou seja, não há equipamento de ar.

Agora é altura de avançar para uma solução ativa. No entanto, isto traz novas questões de ruído, fiabilidade e poeira.

A solução ativa: Arrefecimento fiável para concepções compactas por ACDCFAN

A seleção da solução ativa não é simplesmente uma questão de instalar qualquer ventoinha; é uma questão de instalar a ventoinha correta que resolverá o seu problema térmico e não criará um novo problema de calor.

Este é o problema que o ACDFAN foi construído para resolver. Os nossos ventiladores são modelos de alta fiabilidade utilizados em projectos onde há falta de espaço e a falha não é uma opção.

• Resolver o problema da fiabilidade: O medo da fiabilidade é que, o mais comum é a falha dos ventiladores. Temos a nossa tecnologia de base, que utiliza os rolamentos de esferas mais avançados e, por isso, é capaz de atingir até um MTBF (tempo médio entre falhas) de mais de 70 000 horas. São quase 8 anos de serviço 24 horas por dia, 7 dias por semana, o que garante que a vida útil do nosso ventilador será a mesma do seu produto.
• Solução para ambientes agressivos: Em ambientes poeirentos, húmidos ou de grande altitude, o nosso Ventoinhas encapsuladas à prova de pó e de água com classificação IP68 pode oferecer a maior proteção do sector.
• Eficiência do ruído de fabrico: Uma ventoinha de velocidade 100% é ruidosa e consome energia. Controlo de velocidade inteligente PWM (Modulação da largura de pulso) está incorporado nas nossas ventoinhas. Com isto, pode ter o seu sistema a solicitar arrefecimento a pedido, funcionando silenciosamente com cargas baixas e aumentando a carga apenas em condições térmicas severas. Isto, juntamente com um design superior das pás, proporciona o máximo de arrefecimento com o mínimo de ruído.

Estamos a oferecer uma solução, não um componente. Como uma design totalmente compatível (RoHS 2.0, UL, CE, TUV, EMC)Podemos fornecer uma solução técnica provisória para o seu projeto no prazo de 12 horas.

Como decidir qual a estratégia de arrefecimento de PCB mais adequada para si?

Este quadro de decisão deve ser utilizado para definir a sua primeira estratégia.

Conclusão

A gestão térmica de PCB é uma questão de equilíbrio. Não se trata de escolher entre "passivo" ou "ativo"; trata-se de começar com uma base passiva robusta e saber quando a desenvolver com uma solução ativa inteligente.

Ao otimizar a disposição e aproveitar o cobre da placa de circuito impresso, os projectistas de placas de circuito impresso criam uma resiliência térmica "gratuita". Mas quando a física dita que o passivo não é suficiente, uma solução de arrefecimento ativo de alta qualidade não é um compromisso - é um facilitador. É o que lhe permite ultrapassar com confiança os limites do desempenho, sabendo que o seu design está protegido por uma gestão térmica eficaz e orientado por práticas sólidas de dissipação de calor.