GUIDE DE CONCEPTION DE DISSIPATION THERMIQUE POUR PCB HAUTE PUISSANCE

Qu'il s'agisse d'utiliser des équipements électroniques de puissance, des systèmes embarqués, des équipements industriels ou de concevoir une nouvelle carte mère, nous devons faire face au problème de l'augmentation de la température dans le système.Un fonctionnement continu à haute température réduira la durée de vie du circuit imprimé et entraînera même la défaillance de certains points clés du système.Il est utile de prolonger la durée de vie des circuits imprimés et des composants en prenant en compte la dissipation thermique le plus tôt possible dans le processus de conception.

La conception de la dissipation thermique commence par l'estimation de la température de fonctionnement

Avant de commencer une nouvelle conception, il est nécessaire de prendre en compte la température de fonctionnement du circuit imprimé, l'environnement de travail du circuit imprimé et la consommation électrique des composants.Ces facteurs fonctionnent ensemble pour déterminer la température de fonctionnement du circuit imprimé et des composants.Cela aidera également à personnaliser la stratégie de refroidissement.

Placer le circuit imprimé à une température ambiante plus élevée lui permettra de conserver plus de chaleur et de fonctionner à une température plus élevée.Les composants qui dissipent plus de puissance nécessiteront des méthodes de refroidissement plus efficaces pour maintenir la température au niveau défini.Des normes industrielles importantes peuvent spécifier la température maximale des composants et des substrats pendant le fonctionnement.

Avant de concevoir une stratégie de gestion thermique, assurez-vous de vérifier les températures de fonctionnement autorisées des composants dans la fiche technique et les températures spécifiées dans les normes industrielles importantes.Le refroidissement actif et passif doit être combiné avec une disposition correcte de la carte pour éviter tout dommage à la carte.

Refroidissement actif et refroidissement passif : quel circuit imprimé vous convient le mieux ?

C’est une question importante que tout concepteur devrait prendre en compte.Généralement, lorsque la température ambiante est bien inférieure à la température de fonctionnement, l'effet de refroidissement passif est le meilleur.Le gradient thermique entre le système et l'environnement peut être important, forçant un plus grand flux de chaleur de vos composants et de la carte elle-même.Avec le refroidissement actif, même si la température ambiante est plus élevée, il peut fournir un meilleur effet de refroidissement selon le système de refroidissement actif.

Refroidissement passif

Des tentatives doivent être faites pour minimiser le refroidissement passif des composants actifs afin de permettre à la chaleur d'être distribuée dans le plan de masse.De nombreux composants actifs comprennent un dissipateur thermique au bas du boîtier, permettant à la chaleur d'être dissipée via des vias cousus vers le plan de masse voisin.Ces trous de couture s'étendent ensuite jusqu'au tampon de cuivre situé sous l'assemblage.Certains calculateurs de PCB peuvent être utilisés pour estimer la taille de la pastille de cuivre requise pour l'assemblage.

Évidemment, le plot de cuivre sous l'assemblage ne peut pas s'étendre au-delà du bord de l'assemblage lui-même, car cela interférerait avec le plot de montage en surface ou les broches traversantes.Si un seul coussin ne réduit pas la température au niveau souhaité, il peut être nécessaire d'ajouter un radiateur en haut de l'appareil pour dissiper davantage de chaleur.Un tampon de transfert de chaleur ou une pâte conductrice de chaleur peuvent également être utilisés pour augmenter le flux de chaleur dans le radiateur.

Le refroidissement par évaporation est une autre option.Cependant, les composants de refroidissement par évaporation sont très encombrants et ne conviennent donc pas à de nombreux systèmes.Si le système fuit ou se brise, il y aura une fuite de liquide partout.À ce stade, la méthode de refroidissement actif peut être utilisée pour fournir un effet de refroidissement identique ou meilleur.

Refroidissement actif

Si vous devez réduire davantage la température des composants actifs tels que les FPGA, les CPU ou d'autres composants actifs avec une vitesse de commutation élevée, vous devrez peut-être utiliser des ventilateurs pour le refroidissement actif lorsque le refroidissement passif ne peut pas résoudre le problème.Le ventilateur ne tourne pas toujours à pleine vitesse et peut même ne pas s'allumer.Les composants à température plus élevée et les composants qui génèrent plus de chaleur nécessitent que le ventilateur fonctionne plus rapidement.

Le ventilateur est bruyant car le signal PWM générera du bruit dû à la commutation.La carte de développement aura besoin d'un circuit pour générer un signal PWM pour contrôler la vitesse du ventilateur et d'un capteur pour mesurer la température des composants concernés.Un commutateur d'harmoniques d'ordre élevé est également généré au niveau de chacun des commutateurs du variateur CA.Si un ventilateur est utilisé, les composants de câblage à proximité devront avoir une suppression du bruit/une immunité adéquate.

Les systèmes de refroidissement actifs tels que le liquide de refroidissement ou le réfrigérant peuvent également être utilisés pour fournir une grande quantité de refroidissement.Il s'agit d'une solution rare car elle nécessite une pompe ou un compresseur pour permettre au liquide de refroidissement ou au réfrigérant de circuler dans le système.Par exemple, un système de refroidissement par eau est utilisé pour refroidir les GPU des ordinateurs de jeu hautes performances.

Quelques directives simples de conception thermique

L'utilisation d'un plan de masse sous le trajet du signal améliore l'intégrité du signal et la suppression du bruit, et peut également servir de radiateur.L'assemblage avec un tampon thermique étend les vias cousus jusqu'au plan de masse, ce qui permet à la formation de dissiper plus facilement la chaleur de la couche superficielle.Ensuite, la chaleur générée par la trace à la surface est facilement dissipée dans le plan de masse.

Le câblage à courant élevé, en particulier dans les circuits à courant continu, nécessitera un poids de cuivre plus important afin de dissiper une quantité appropriée de chaleur sur le circuit imprimé.Cela peut nécessiter un routage plus large que celui normalement utilisé dans les équipements à grande vitesse ou à haute fréquence.La géométrie affecte l'impédance de routage du signal AC, ce qui signifie que vous devrez peut-être modifier la pile afin que l'impédance corresponde à la valeur définie dans la norme de signal ou le composant source/charge.

Faites attention aux cycles thermiques dans le circuit imprimé, car des cycles de température répétés entre des valeurs élevées et basses peuvent entraîner une accumulation de contraintes dans les trous traversants et le câblage.Cela peut conduire à une rupture de tube dans des trous traversants avec un rapport d'aspect élevé.Un cycle de temps long peut également provoquer un délaminage de traces sur la couche de surface, endommageant ainsi le circuit imprimé.