PCB per elevate potenze: note di progettazione

Mentre le dimensioni dei circuiti elettronici si stanno continuamente riducendo, la densità di potenza dei componenti è in costante crescita. Il corretto funzionamento di un circuito ad elevata potenza dipende strettamente da alcuni aspetti legati alla progettazione del PCB, che verranno esaminati in questo articolo.

Layout

A livello di layout, il primo elemento da considerare è la geometria delle tracce, ovvero dimensionare opportunamente larghezza e altezza di ogni traccia. Al fine di ridurre al minimo le perdite di potenza, è preferibile mantenere le tracce che conducono correnti elevate il più corte possibile. Per quanto riguarda lo spessore, i PCB per elevate potenze hanno in genere tracce con spessori maggiori rispetto ai PCB standard, riducendo così la larghezza della traccia a parità di corrente e lo spazio occupato sul PCB. Gli spessori di rame maggiori sono compresi tra 35 e 105 µm (tra 1 e 3 oz/ft2), utilizzati tipicamente per correnti superiori a 10 A.

Il layout della scheda dovrebbe essere preso in considerazione sin dalle primissime fasi di sviluppo del PCB. I principali fattori che influenzano il layout di un circuito stampato sono i seguenti:

• livelli di potenza raggiunti in punti precisi del circuito;
• temperatura ambiente in cui opera la scheda;
• quantità del flusso d’aria che colpisce la scheda;
• materiale utilizzato per la fabbricazione del PCB;
• densità dei componenti montati sulla scheda.

Posizionamento dei componenti

È importante posizionare per primi i componenti ad elevata potenza, come convertitori di tensione o transistor di potenza, in quanto essi sono i principali responsabili della generazione del calore. Tali componenti non devono essere montati in prossimità dei bordi della scheda, evitando l’accumulo eccessivo di calore e il conseguente aumento della temperatura. Evitare inoltre di concentrare più componenti di potenza nella stessa zona per evitare la formazione di punti caldi (hot spot). L’immagine seguente mostra l’analisi termica di un circuito elettronico, con evidenziate in rosso le zone con la maggiore concentrazione di calore.

Figura 1: analisi termica di un circuito elettronico

I componenti digitali ad elevata integrazione dovrebbero essere posizionati al centro del PCB, consentendo una diffusione uniforme del calore e della temperatura su tutta la scheda.

Gestione termica

Una corretta gestione termica è richiesta per mantenere la temperatura di ogni componente entro i limiti di sicurezza, evitando in ogni caso il superamento della temperatura di giunzione del semiconduttore, in genere compresa tra +125°C e +175°C per i dispositivi basati sul silicio. Il calore generato da ogni componente viene ceduto all’esterno attraverso il package e i terminali di connessione. Anche se negli ultimi anni sono stati sviluppati package sempre più termocompatibili, la gestione termica rimane una sfida ardua a causa della progessiva riduzione delle dimensioni dei componenti.

Le due principali tecniche utilizzate per migliorare la gestione termica dei PCB consistono nella creazione di ampi piani di massa e nell’inserimento di vias termici. La prima tecnica consente di aumentare l’area disponibile sul PCB per la dissipazione del calore. Molto spesso questi piani sono collegati allo strato superiore o inferiore del PCB per massimizzare lo scambio termico con l’ambiente circostante; tuttavia, anche i layer interni possono essere utilizzati per estrarre parte della potenza dissipata dai dispositivi sul PCB. I vias termici vengono invece utilizzati per trasferire il calore da uno strato all’altro all’interno della stessa scheda. La loro funzione è quella di veicolare il calore dai punti più caldi del PCB verso altri layer dove il calore può essere dissipato più facilmente.

Molti dei componenti utilizzati nei circuiti elettronici, come regolatori, amplificatori e convertitori, sono estremamente sensibili alle fluttuazioni di temperatura nell’ambiente circostante. Se si verificano variazioni termiche significative, essi possono alterare il segnale che stanno producendo, generando errori e riducendo l’affidabilità del dispositivo. È quindi importante isolare termicamente tutti i componenti sensibili, in modo che non vengano influenzati dal calore prodotto sulla scheda.

Articolo originale: https://www.powerelectronicsnews.com/high-power-pcb-design/

Redazione Fare Elettronica