thermal regulation

7/24/2019 Thermal Regulation

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Especificaciones y consideraciones de diseo

En primer lugar tenemos que fijar unos parmetros de trabajo de la placa. Hemos

especificado que nos gustara que la placa trabaje en un rango de (6V a 12V) y por diseo

hemos decidido que la placa no puede consumir ms de 200mA.

Especificaciones elctricas:

Rangos de funcionamiento con una fuente externa: Tensin de entrada: 6V a 12V Corriente mxima: 200mA Tensin regulada de salida: 5V

Parmetros de diseo con una fuente externa: Tensin de entrada: 6V a 12V Corriente mxima: 300mA Potencia mxima disipada: 2,1W

Vamos a ver si el LD1117 en formato SOT223 cumple con las especificaciones:

Vin (max): 15V

Iout (typ): 950mA

Vout (en todo el rango): entre (4,9V, 5,1V)

Dropout voltage, diferencia de tensin entre entrada y salida: 1.15V

Perfecto para nuestro propsito.

Ahora veamos que pasa con la temperatura y cmo se puede disipar.

Especificaciones trmicas:

Si vamos al peor de los casos la potencia que vamos a disipar en el regulador es lasiguiente:

Preg = ( Vmax - 5V) * Imax -> Preg = (12V - 5V ) * 0.2A = 1,4 W

Deberamos ser capaces de disipar 1,4W de calor sin que la temperatura interna del

regulador supere los 125C como especifica el datasheet: TO - Operating junction

temperature range: 125C.

Ahora, vamos a aadir un margen de seguridad operativo (parmetros de diseo) para

que podamos trabajar hasta 300mA, por lo tanto si vamos a la ecuacin anterior vemos

que vamos a tener que disipar: 2,1W.

2,1W no parece gran cosa, pero si todo ese calor lo tenemos que disipar en un espacio

reducido como es el de nuestro regulador, las cosas se ponen interesantes y el regulador

comienza a calentarse. Hemos visto que con estos consumos, la lengeta del regulador

alcanza los 125C y la del encapsulado los 111C.

Vamos a modelar cmo quedara nuestro diseo:


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Cambiar el formato del regulador a un paquete que disipe ms, e.d. con una

resistencia trmica menor (DPAK).

Vamos a ver que tal salen las cuentas, disipando calor en el PCB.

Dnde podemos encontrar este tipo de informacin?

Normalmente, los fabricantes publican los ensayos que han hecho con cada uno de losencapsulados que utilizan. Por lo tanto vamos a usar esta informacin.

Lo que nos interesa es saber cual es la potencia mxima que vamos a poder disipar sin

poner en riesgo el disipador. Por lo tanto:

PDmax = (Tjmax - Ta) / Rja

Tjmax (temperatura mxima unin): 125C

Ta (temperatura ambiente): usaremos 25C

Vamos a ir sustituyendo trminos:

PDmax = (125 - 25 ) / ( Rjc + Rca) = ( 100 ) / ( 15 + Rca )

Pero seguimos sin conocer Rca!

Aqu nos sigue quedando cual es la resistencia trmica entre el ambiente y el encapsulado. De

dnde podemos sacar esta informacin ya que para este componente no lo tiene publicado el

fabricante?

Afortunadamente, los fabricantes de semi-conductores ya han hecho estos clculos (de forma

experimental) y proporcionan curvas que nos dan precisamente la informacin que necesitamos

(Rja).

En la grfica superior podemos ver cual es la resistencia trmica de un encapsulado SOT223 enfuncin de la superficie de cobre del PCB que se utilice como disipador. En concreto la grfica


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muestra tres curvas: superficie de disipacin en la misma cara que va montado el componente

(top), en ambas capas (sin conexin directa entre ambas) y en la capa inferior (botton).

Como podemos ver el mejor rendimiento se obtiene cuando el cobre (disipador) est en la capa

superior.

En nuestro caso vamos a calcular cual sera la superficie que necesitamos para disipar 2.1W.

Usando:

PDmax = (Tjmax - Ta) / Rja

Nos quedara:

Rja = 100 / 2.1W Rja = 47,62 (Resistencia trmica objetivo para conseguir disipar2.1W)

Vemos en la grfica que estaramos en una franja entre 0.5in2y 0.7in2- que mana de usar

unidades raras -. Esto sera en unidades normales: 3,2cm2y 4,5cm2.

Los fabricantes tambin simplifican las cosas, dando informacin sobre disipacin mxima en

funcin de la superficie que se usa como disipador en el PCB:

La grfica superior nos simplifica mucho la vida, podemos ver como para disipar 2.5W tendremos

que usar una superficie en el PCB similar a la calculada anteriormente (3,2cm2y 4,5cm2).

Bien, pues ya tenemos nuestros disipador calculado. Para mejorar su rendimiento, lo que vamos a

hacer en la vinciDuino es usar ambas capas del PCB para disipar calor, conectando cada una de

ellas con vias trmicas.


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En este caso podemos ver en el rendering 3D como hemos creado un disipador en la capa

superior de aproximadamente unos 1,5cm2y en la capa inferior de aproximadamente 2cm2. Esto

nos dara una superficie total de unos 3,5cm2. Usando estas cifras, podemos ver cmo vamos a

ser capaces de usar este encapsulado para disipar algo ms de 2W.

Capa superior con vas trmicas.

Conexin de la capa inferior con vas trmicas.

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