Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2016
Paul Rako
EDN
Если у вас есть мощные светодиоды, или источник питания, или вы пытаетесь управлять большими моторами, вам придется отводить много тепла от ваших печатных плат. Классический способ рассеивания тепла – привернуть ваш силовой транзистор к алюминиевому теплоотводу. Это медленное, грязное и затратное удовольствие, особенно, если вам нужна теплопроводящая паста между транзистором и радиатором (Рисунок 1).
 |
||
| Рисунок 1. | Этот 5-вольтовый стабилизатор может отдавать больше мощности, когда привинчен к алюминиевому радиатору с использованием теплопроводящей пасты. |
|
Еще одна проблема таких радиаторов состоит в том, что сборочные операции хуже контролируются. Процесс изготовление печатной платы и ее монтаж – процесс строго контролируемый и повторяемый. Когда же вы имеете вещь, собранную вручную, это увеличивает вероятность ошибок. Это особенно справедливо, если люди, делающие работу, находятся на другом конце света, говорят на другом языке и плохо обучены.
Сделать схему управления температурным режимом неотъемлемой частью вашей печатной платы – это всегда хорошая идея. Опыт показал, что через участок меди площадью 3×5 дюймов на плате из обычного материала FR4 вы можете отвести порядка 2 Вт тепла.
Уэйн Ямагути (Wayne Yamaguchi) научился некоторым очень важным тонкостям теплового проектирования на своих комплектах преобразователей Maglite для светодиодных фонариков (Рисунок 2). Он думал, что самой трудной частью работы будет разработка импульсного стабилизатора. Но оказались, что наибольшие сложности связаны с механическим конструированием и тепловым проектированием.
 |
||
| Рисунок 2. | Уэйн Ямагути обнаружил, что Linear Technology сделала проектирование схемы для его набора LED Maglite простым; бóльшая часть работы пришлась на тепловое проектирование. |
|
Уэйн понял, как использовать переходные отверстия и медные полигоны, чтобы отвести тепло от светодиода и передать его на алюминиевый корпус Maglite. Отвод тепла – это причина, по которой светодиодные фонарики не делают из пластика. Светодиод более эффективен, чем лампа накаливания, но лампа отдает лишнее тепло в виде инфракрасного излучения наряду с видимым светом. Тепло, порожденное светодиодом, остается в нем.
Прежде всего, вы смотрите, как рассеять больше тепла в меди печатной платы. Можно поэкспериментировать с более толстой медью. Обычные печатные платы имеют слой меди толщиной от одной до двух унций на квадратный фут. Для получения фактической толщины в милах (тысячных долях дюйма) эту величину надо умножить на 1.37. Печатные платы с медной фольгой до 6 унций на квадратный фут заказывать несложно. Затем вы приходите к тому, что изготовители печатных плат называют «тяжелой медью», где медь может весить до 20 унций на квадратный фут, то есть иметь толщину 27.4 мила. Если же вам нужна еще бóльшая толщина, вы можете обратиться к производителям печатных плат, которые делают «экстремальную медь». Это все, что имеет толщину больше 20 унций на квадратный фут.
Любой поток воздуха вокруг радиатора или полигонов значительно облегчает отвод тепла. Если вы вскроете паяльную маску на поверхности полигона, это улучшит теплоотвод в окружающую среду. Исключите финишное выравнивание этих больших неизолированных областей меди горячим воздухом. Припой может накапливаться, и вместе с улучшением отвода тепла мы получим большие свисающие куски припоя. Лучше покрывать никелем или использовать иммерсионное золото. И то, и другое будет защищать медь от коррозии, а золотая отделка к тому же великолепно выглядит.
Когда печатная плата не в состоянии отвести достаточную мощность, вы можете, при условии наличия места на плате, увеличить количество выходных транзисторов. Linear Technology, например, поможет вам сделать это при помощи линейных стабилизаторов LT3080, которые вы можете включать параллельно (Рисунок 3). Если ваше устройство рассеивает 5 Вт, вы можете соединить параллельно три микросхемы. Каждый прибор будет хорошо работать при мощности до 2 Вт, если вы выделите ему на плате область меди, достаточную для отвода тепла. Для перераспределения тепла вы можете использовать и внутренние слои, но не забывайте «сшить» их с наружными слоями меди переходными отверстиями, так как в итоге тепло нужно отвести в окружающий воздух.
 |
||
| Рисунок 3. | В этом случае отвести тепло от SMD компонентов помогает Linear Technology, поэтому алюминиевый радиатор вам не нужен. |
|
Если параллельного включения SMD компонентов и толстой меди на печатной плате недостаточно, вы можете поискать транзисторы, подобные семейству Direct FET фирмы International Rectifier, известные также как Infineon CanPAK (Рисунок 4). Радиаторы на их корпуса можно устанавливать сверху. Теперь вы можете использовать весь арсенал толстой и тяжелой меди со стороны всех трех выводов. Вы также можете прижимать или припаивать радиатор к верхней стороне компонента, являющейся частью выводной рамки.
 |
||
| Рисунок 4. | Корпус CanPAK компании Infineon передает тепло от кристалла на печатную плату через широкую металлическую крышку. |
|
Кроме того, для передачи тепла от печатной платы в воздух в схемах, содержащих импульсные стабилизаторы со встроенными полевыми транзисторами или обычные дискретные транзисторы, вы можете использовать радиаторы в форме крыла чайки или буквы «П» (Рисунок 5). Большое преимущество такого решения состоит в том, что эти радиаторы можно устанавливать с помощью автоматических манипуляторов, подобно другим компонентам вашей платы. Затем вы отправляете плату в обычную инфракрасную печь, чтобы припаять и компоненты, и радиаторы. Убедитесь, что ваша САПР «вставляет» в выходной файл информацию об установке радиатора после размещения полевых транзисторов. Вы также можете сделать примечание на сборочном чертеже.
 |
||
| Рисунок 5. | П-образные радиаторы отводят тепло от печатной платы и допускают автоматическую сборку. (Фото Fischer Elektronik). |
|
Эффект от установки теплоотвода на пластиковый корпус будет очень небольшим. Через пластиковый корпус тепло проходит настолько медленно, что сам кремниевый кристалл металлическим радиатором на пластике охлаждается очень слабо. Лучший путь отвода тепла – через выводную рамку, на которой смонтирован кристалл. В большинстве компонентов выводная рамка соединена с землей, общей шиной или выводом отрицательного питания. У некоторых КМОП микросхем выводная рамка соединена с плюсом питания. Прежде чем строить предположения о том, как отвести тепло, проконсультируйтесь с производителем ИС.
Когда вам надо отвести по настоящему много тепла, возможно, в горячей среде, как под капотом автомобиля, вы можете перейти к печатным платам на металлическом основании (Рисунок 6). Хорошей стороной плат с металлическим основанием является то, что пропуская огромное количество тепла, они одновременно служат силовыми элементами конструкции. Плохая состоит в том, что при небольших объемах производства печатные платы с металлическим основанием, как правило, дороги. Услуги по изготовлению прототипов печатных плат на металлическом основании может предоставить компания PCBPool.
 |
||
| Рисунок 6. | Печатные платы с металлическим основанием часто являются единственным способом отвода достаточного количества тепла от светодиодных схем. (Фото Bergquist/Henkel). |
|
Существует более новая запатентованная технология изготовления печатных плат с большими токами и большим тепловыделением. Компания Häusermann называет этот процесс HSMtec. Они «прошивают» и покрывают платы проводниками толщиной до 20 мил. Эти проводники и полосы проходят либо под существующими трассами вашей конструкции печатной платы (Рисунок 7а), либо над ними (Рисунок 7б). В результате любой узкий проводник может нести гораздо больше тока и тепла. Полосы толщиной 2 мила могут быть сделаны достаточно широким, и вы получите те же преимущества, что и при использовании экстремальной меди или печатных плат с металлическим основанием.
|
||||||
| Рисунок 7. | Häusermann запатентовала технологию изготовления печатных плат, которые проводят большое количество тепла или тока. |
|||||
Пример
Когда речь заходит о хорошей тепловой конструкции, нет лучшего примера, чем линейка контроллеров двигателей электромобилей, которые делают Отмар Ибинхоич (Otmar Ebenhoech) и Zilla (Рисунок 8). Если вы следите за шоу PBS о Белом Зомби, одном из лучших уличных электрических гонщиков на Земле, вы можете увидеть контроллеры Zilla, когда камера заглядывает под капот.
 |
||
| Рисунок 8. | Отмар Ибинхоич возле своего сдвоенного пре образователя для Porsche 914. |
|
Компромиссный характер теплового конструирования Отмар понял много лет назад. Начинал он с большого модуля IGBT. Им было трудно управлять, и не менее трудно было отвести тепло. В качестве сувениров на стене у Отмара висит множество взорвавшихся модулей. Его идея состояла в том, что от нескольких IGBT отвести тепло легче. Поэтому он использовал 36 IGBT в корпусах TO-247. Когда я спросил, почему он не использовал MOSFET, Ибинхоич отметил, что «в диапазоне напряжений 600 В при максимальном токе IGBT имеют гораздо меньшие потери мощности. Стандартные модули Zilla Z2K работают при токе двигателя 2000 А». Для отвода тепла от этих распределенных по плате источников Отмар использует медные радиаторы с водяным охлаждением. Для снижения импеданса источника питания MOSFET важное значение имеют накопительные конденсаторы. При таких уровнях тока даже малейшая индуктивность шины будет означать большие выбросы при переключении, приводящие к разрушению IGBT и потерям мощности.
Отмар вспоминает, что наиболее интересной частью проекта была головоломка при механическом конструировании. «Вы должны располагать конденсаторы как можно ближе к IGBT, но в то же время от IGBT нужно отводить тепло». Затем есть полудюймовые кабели, подводящие ток, плюс вам надо спроектировать очень хорошую систему «земли», чтобы вторые выводы конденсаторов «видели» низкий импеданс. При каждом IGBT имеется также ограничительный диод, который должен располагаться как можно ближе, чтобы минимизировать размеры токовых петель.
Еще одна блестящая идея Отмара – использовать 8-разрядный микроконтроллер Microchip PIC для контроля и управления всеми аспектами преобразования энергии. В наши дни, может быть, вы использовали бы 32-битный чип ARM Cortex M0. Тогда вы могли бы иметь стек TCP/IP, если бы захотели через Wi-Fi соединить контроллер с Интернетом. Ибинхоич замечает: «PIC были выбраны в 1999 году, сейчас я бы воспользовался чем-то намного более быстрым».
Таким образом, проектируете ли вы светодиодную лампу или гоночный электромобиль, для отвода тепла от электроники вам надо знать свои возможности и потребности. Если вы убедились, что разработали проект для наихудших условий, и действительно испытали его в этих условиях, то можете гарантировать ему долгую и счастливую жизнь.
Купить LT3080 на РадиоЛоцман.Цены
