Presta attenzione alla temperatura del tuo PCB!

Presta attenzione alla temperatura del tuo circuito stampato. Perchè?

💥 Prima di tutto perchè i componenti elettronici attivi (microcontrollori, memorie, FPGA, controllori per DC-DC converter) lavorano correttamente fino a 85°C  e in alcuni casi fino a 125°C. Con questo mi riferisco alla temperatura indicata nei datasheet  come Ta  (è la temperatura dell’ambiente in cui opera il componente attivo). Tieni presente che se il tuo circuito stampato è inserito in una scatola metallica e ci sono parti che dissipano  molto calore, prima o poi tutto questo calore si diffonde in tutto il PCB e di conseguenza la temperatura “ambiente” salirà. 

Oltre alla temperatura ambiente, un altro parametro da valutare per i componenti attivi è la temperatura di giunzione Tj (junction temperature). La temperatura massima di giunzione Tj in genere varia tra 125°C e 150°C. Questo parametro è specificato nella sezione del datasheet chiamata “Absolute Maximim Ratings”

La temperatura “ambiente” e la temperatura massima di giunzione sono legate dalla formula                                                                                  Tjmax=Ta+ Pd*Rth(j-a)   

dove Pd è la dissipazione in W e Rth(j-a) è un coefficiente che dipende dal case del dispositivo e anche da alcuni accorgimenti di layout.

💥 Inoltre, tieni presente che in casi estremi una traccia può prendere fuoco o rompersi. 

OK, ma quali sono i punti su cui concentrarsi per evitare un riscaldamento del tuo circuito?

✅   Adeguato dimensionamento delle tracce del tuo PCB . Esistono diversi calcolatori (generalmente basati sullo standard  IPC-2152) . Uno di questi è Saturn PCB Toolkit che oltre a fornire la larghezza della traccia per una determinata corrente, fornisce anche una stima dell’incremento di temperatura. Oltre ad aumentare la larghezza della traccia in casi di elevata corrente puoi anche considerare di ordinare un PCB con uno spessore di rame maggiore. Tieni presente che questo secondo approccio ha un costo maggiore

 

✅ Adeguato dimensionamento dei fori di via. Anche il diametro del foro di via deve essere progettato per portare una certa corrente. Gli stessi tool usati per il dimensionamento delle piste, permettono anche di dimensionare i fori di via.                                                                    

 Se il diametro del foro è troppo grande, puoi usare più fori di via.La figura qui sotto mostra il layout di un regolatore lineare. La traccia viola è collegata al poligono presente nel layer superiore da tre fori di via. 

 

traccia con fori di via multipli

✅ Adeguata dissipazione dei regolatori di tensione lineari, dei moduli DC-DC converter  e dei transistor di potenza . Per questi componenti presta molta attenzione a come gestisci nel layout la pad maggiore del componente che è collegata o al riferimento di alimentazione negativo oppure all’uscita del regolatore. E’ meglio se colleghi questa pad non direttamente con una pista ma con un poligono (o un piano). In base alla larghezza del piano e al numero di fori di via presenti, cambia il coefficiente Rth(j-a) che abbiamo visto sopra.

Nell’immagine qui sotto a sinistra è indicato come varia il coefficiente Rth(j-a) in funzione dell’area di rame che circonda la pad centrale del componente. Il componente a cui fa riferimento l’immagine è il regolatore di tensione NCP1117DT33T5G e il package è chiamato DPAK. Per questo componente il datasheet non specifica un pattern di fori di via da inserire all’interno dell’area di rame. 

Il pattern di fori di via è invece indicato nella sezione di destra. In questo caso, il componente è il controllore DC-DC converter step-down  171012402 e il package del componente è chiamato TO263-7EP. La pad centrale indicata nell’immagine è chiamata “exposed pad” in quanto si trova al di sotto del corpo del componente.

aspetti termici dei package DPAK e TO-263   Infine, considera che un circuito multilayer con uno o più piani di massa continui (non interrotti da piste) migliora la dissipazione del calore.

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