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

Transcripción

1 Especificaciones y consideraciones de diseño En primer lugar tenemos que fijar unos parámetros de trabajo de la placa. Hemos especificado que nos gustaría que la placa trabaje en un rango de (6V a 12V) y por diseño hemos decidido que la placa no puede consumir más de 200mA. Especificaciones eléctricas: Rangos de funcionamiento con una fuente externa: Tensión de entrada: 6V a 12V Corriente máxima: 200mA Tensión regulada de salida: 5V Parámetros de diseño con una fuente externa: Tensión de entrada: 6V a 12V Corriente máxima: 300mA Potencia máxima 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 tensión entre entrada y salida: 1.15V Perfecto para nuestro propósito. Ahora veamos que pasa con la temperatura y cómo se puede disipar. Especificaciones térmicas: Si vamos al peor de los casos la potencia que vamos a disipar en el regulador es la siguiente: Preg = ( Vmax - 5V) * Imax -> Preg = (12V - 5V ) * 0.2A = 1,4 W Deberíamos ser capaces de disipar 1,4W de calor sin que la temperatura interna del regulador supere los 125ºC como especifica el datasheet: TO - Operating junction temperature range: 125ºC. Ahora, vamos a añadir un margen de seguridad operativo (parámetros de diseño) para que podamos trabajar hasta 300mA, por lo tanto si vamos a la ecuación 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 lengüeta del regulador alcanza los 125ºC y la del encapsulado los 111ºC. Vamos a modelar cómo quedaría nuestro diseño:

2 La resistencia térmica se especifica en grados por vatio (ºC/W) Rjc - Resistencia térmica entre la unión y el encapsulado del integrado Rcs - Resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador Rsa - Resistencia térmica entre el disipador y el ambiente Rja - Resistencia térmica entre la unión y el ambiente. Lo que nos interesa conocer, la resistencia térmica total entre el dado de silicio y el ambiente! Como no tenemos previsto poner un disipador, vamos a definir que: Rja = Rjc + Rca Donde Rca es la temperatura entre el encapsulado y el ambiente. Nos vamos al datasheet para buscar esta información: Rjc (SOT-223): 15ºC/W Rja: no viene y es lo que tendríamos que usar. Rca: no está y nos sería muy útil. Pero, podemos calcular la temperatura a la que se encuentra el integrado usando la siguiente ecuación: Tj = Tjc + Pd * Rjc Por lo tanto, lo que sabemos es que Rjc es 15ºC/W, e.d. que si estamos midiendo 125ºC en la pata del disipador y estamos consumiendo 1.4W, la temperatura de la unión es: Tj = 125ºC + 1,4 * Rjc = 125ºC + 21ºC = 146ºC Un valor muy superior al que recomienda el fabricante. Cómo podemos resolver este problema? Simplemente evacuando calor fuera del propio regulador. Podríamos pensar en poner un disipador de calor, pero estos son "caros" para este tipo de placa. Disipar calor usando el propio PCB.

3 Cambiar el formato del regulador a un paquete que disipe más, e.d. con una resistencia térmica menor (DPAK). Vamos a ver que tal salen las cuentas, disipando calor en el PCB. Dónde podemos encontrar este tipo de información? Normalmente, los fabricantes publican los ensayos que han hecho con cada uno de los encapsulados que utilizan. Por lo tanto vamos a usar esta información. Lo que nos interesa es saber cual es la potencia máxima que vamos a poder disipar sin poner en riesgo el disipador. Por lo tanto: PDmax = (Tjmax - Ta) / Rja Tjmax (temperatura máxima unión): 125ºC Ta (temperatura ambiente): usaremos 25ºC Vamos a ir sustituyendo términos: PDmax = ( ) / ( Rjc + Rca) = ( 100 ) / ( 15 + Rca ) Pero seguimos sin conocer Rca! Aquí nos sigue quedando cual es la resistencia térmica entre el ambiente y el encapsulado. De dónde podemos sacar esta información ya que para este componente no lo tiene publicado el fabricante? Afortunadamente, los fabricantes de semi-conductores ya han hecho estos cálculos (de forma experimental) y proporcionan curvas que nos dan precisamente la información que necesitamos (Rja). En la gráfica superior podemos ver cual es la resistencia térmica de un encapsulado SOT223 en función de la superficie de cobre del PCB que se utilice como disipador. En concreto la gráfica

4 muestra tres curvas: superficie de disipación en la misma cara que va montado el componente (top), en ambas capas (sin conexión directa entre ambas) y en la capa inferior (botton). Como podemos ver el mejor rendimiento se obtiene cuando el cobre (disipador) está en la capa superior. En nuestro caso vamos a calcular cual sería la superficie que necesitamos para disipar 2.1W. Usando: PDmax = (Tjmax - Ta) / Rja Nos quedaría: Rja = 100 / 2.1W Rja = 47,62 (Resistencia térmica objetivo para conseguir disipar 2.1W) Vemos en la gráfica que estaríamos en una franja entre 0.5in 2 y 0.7in 2 - que manía de usar unidades raras -. Esto sería en unidades normales: 3,2cm 2 y 4,5cm 2. Los fabricantes también simplifican las cosas, dando información sobre disipación máxima en función de la superficie que se usa como disipador en el PCB: La gráfica 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 (3,2cm 2 y 4,5cm 2 ). 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 térmicas.

5 En este caso podemos ver en el rendering 3D como hemos creado un disipador en la capa superior de aproximadamente unos 1,5cm 2 y en la capa inferior de aproximadamente 2cm 2. Esto nos daría una superficie total de unos 3,5cm 2. Usando estas cifras, podemos ver cómo vamos a ser capaces de usar este encapsulado para disipar algo más de 2W. Capa superior con vías térmicas. Conexión de la capa inferior con vías térmicas.