Le temperature eccessive possono ridurre in modo drastico la durata dei componenti elettronici. E’ noto che per ogni 10 °C di aumento della temperature di funzionamento la durata di un circuito integrato si reduce in misura pari a circa il 50%. Nel momento in cui le densità di potenza dei sistemi continuano ad aumentare, così come la diffusione di applicazioni sofisticate che prevedono l’uso di circuiti elettronici di potenza – data center, veicoli elettrici, sistemi di illuminazione, robotica industriale e via dicendo – la gestione termica è un aspetto che sta assumendo una rilevanza sempre maggiore.
Nel tentativo di mantenere i componenti a una temperatura adeguata si può facilmente incorrere nel rischio di sovradimensionare un progetto, dando vita a una soluzione troppo grande dal punto di vista dimensionale e/o eccessivamente costosa. Se l’elemento principale usato per il raffreddamento è un dissipatore di calore, l’approccio più efficace è ricorrere a un componente caratterizzato da un’impedenza termica ottimizzata (determinata da un’accurata scelta di fattori quali dimensioni, forma, finitura superficiale e così via) al fine di mantenere il dispositivo a una temperatura inferiore alla temperatura di funzionamento nominale.
Scelta del dissipatore: una guida passo-passo
Nel momento in cui si deve affrontare un semplice problema di gestione termica, ad esempio quello di specificare un dissipatore di calore per un dispositivo di piccole dimensioni come un MOSFET di potenza ospitato in un package TO-220 standard, in primo luogo è necessario quantificare la potenza dissipata dal componente. Si ipotizzi ad esempio che la potenza totale dissipata dal transistor a causa di fenomeni di commutazione e conduzione sia pari a a 2,7 W. Se le somme delle impedenze termiche tra la giunzione del transistor e l’aria ambiente è abbastanza alta da impedire la dissipazione di questa quantità di potenza sotto forma di calore, il funzionamento continuo provocherà un aumento della temperatura di giunzione che alla fine supererà la temperatura massima ammissibile per il dispositivo (che nel caso dei transistor di silicio è pari a 125 °C (valore tipico).
Il dissipatore è necessario?
In prima istanza è necessario analizzare se il MOSFET in questione può operare senza ricorrere a un dissipatore di calore, facendo riferimento alla impedenza termica tra giunzione e ambiente (Rθ J-A) riportata nel datasheet del dispositivo. Questa è espressa in °C/W e fornisce un’indicazione di quanto la temperature di giunzione aumenterà al di sopra della temperature ambiente per ogni Watt dissipato.
Nel caso di un MOSFET ospitato in un package TO-220, un valore tipico per Rθ J-A è 62 °C/W. Nel nostro esempio, in cui il dispositivo dissipa 2,78 W, la temperatura di giunzione aumenterà a 172 °C (2,78 W x 62°C /W). In presenza di una temperatura ambiente di 50 °C, ciò significa che la temperature di giunzione aumenterà arrivando a 222°C. Poiché questo valore è superiore rispetto a quelli massimo consentito per il dispositivo, è necessario ricorrere a un dissipatore di calore. Il compito di quest’ultimo è ridurre l’impedenza termica tra la giunzione e l’ambiente in modo tale da impedire alla temperatura di giunzione di superare il valore massimo previsto dal produttore.
Calcolo dell’impedenza termica
La modalità di collegamento tra il dissipatore di calore e il package TO-220 è riportata in figura 1: si può notare il sottile strato di materiale (TIM – Thermal Interface Material) necessario per eliminare l’aria che altrimenti potrebbe rimanere intrappolata tra il contenitore e il dissipatore di calore a causa della non perfette condizioni di coplanarità e uniformità tra le due superfici accoppiate.
Il passo successivo è determinare l’impedenza termica massima ammissibile dell’intero sistema in grado di garantire un funzionamento sicuro e affidabile. In primo luogo è necessario calcolare il massimo incremento consentito per la temperatura di giunzione. Nel caso la massima temperatura consentita è pari a 125 °C e la temperatura ambiente (nel caso peggiore) è pari a 50 °C, allora l’incremento non può superare i 75 °C.
Una volta noto questo valore e la potenza dissipata dal dispositivo, che è pari a 2,78 W, è possibile calcolare il massimo valore dell’impedenza termica dell’intero sistema, che comprende il package del MOSFET, il dissipatore di calore e il materiale d’interfaccia termico (TIM), dato da 75 °C ÷ 2.78 W, ovvero 27 °C/W.
A questo punto è possibile modellare questa rete di elementi sotto forma di un insieme di impedenze termiche in serie (fig. 2).
Fig. 2 – Le singole impedenze termiche tra la giunzione e l’aria ambiente vengono sommate e confrontate con il valore massimo ammissibile calcolato
I vari fattori dei materiali termici di interfaccia
La caratteristica del TIM come materiale è definito dalla sua conducibilità termica, espressa come Watt per metro – Celsius (W/(m °C)) o Watt per metro-Kelvin (W/(m K)). L’impedenza termica dipende dall’applicazione e in particolare dallo spessore dello strato e dalla superficie. Nel caso dell’esempio preso in considerazione, si faranno le seguenti ipotesi:
Conducibilità termica del TIM (“K”): 0,79 W/(m °C) = 0.79 W/(m K)
Superficie del TIM: 112 mm2 = 0,000112 m2
Spessore del TIM: 0,04 mm = 0,00004 m
L’impedenza termica può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
Rθ C-S = (Spessore /Superficie) x (1 /Conducibilità)
Rθ C-S = (0,00004 / 0,000112) x (1 / 0,79)
Rθ C-S = 0,45 °C/W oppure 0,45 °K/W
In precedenza era stata calcolata l’impedenza termica massima ammissibile tra la giunzione e l’ambiente, che risultava pari a 27 °C/W. Ora che sono note le impedenze tra giunzione e contenitore (solitamente riportata sul datasheet del costruttore, che in questo caso è pari a 0,5 °C/W) e tra package e dissipatore, queste possono essere sottratte da questo totale per ricavare l’impedenza termica massima ammissibile per un dissipatore di calore adatto allo scopo. Eseguendo questa operazione (27 °C/W – 0.5 °C/W – 0.45 °C/W) si ottiene un valore pari a 26,05 °C/W.
Calcoli finali per definire il dissipatore di calore ideale
Il valore di impedenza finale in questa catena, ovvero dal dissipatore di calore all’aria ambiente, dipende dalla capacità del dissipatore di trasferire il calore dalla superficie in contatto con il componente all’aria ambiente. Il dissipatore di calore è progettato in modo da ottimizzare la dissipazione e sarà quindi caratterizzato da un’ampia superficie piatta posta a contatto con il componente. Un insieme di alette particolarmente denso e spesso con una finitura opaca permette di ottimizzare la superficie del dissipatore in contatto con l’aria ambiente. I dissipatori di calore per package di potenza “tabbed” (dotato di flangia forata) come TO-220 sono solitamente avvitati o agganciati con il componente per garantire un contatto sicuro e affidabile.
I costruttori di scambiatori di calore come CUI Devices di solito forniscono grafici (fig. 3) o punti dati per aiutare i progettisti a quantificare il trasferimento di calore dal dissipatore all’aria ambiente per differenti carichi e condizioni di flusso d’aria.
Fig. 3 – Le informazioni riportate nei datasheet dei dissipatori di calore mostrano l’aumento della temperatura della superficie di montaggio del dissipatore rispetto a quella ambienteSi ipotizzi che l’applicazione stia funzionando in assenza di flusso d’aria, utilizzando solamente la convezione naturale. Il grafico può essere utilizzato per determinare l’impedenza termica finale (dal dissipatore all’ambiente) per questo specifico dissipatore di calore. Osservando il grafico di figura 3 si può notare che, quando il calore dissipato è pari a 2,78 W, l’aumento della temperatura della superficie rispetto a quella ambiente è pari a 53 °C. Quindi l’impedenza termica tra il dissipatore e l’ambiente è pari a 19.1 °C/W, valore ottenuto dividendo 53 °C per 2,78 W.
Si tratta di un valore nettamente inferiore a quello calcolato in precedenza (26,05 °C/W) calcolato in precedenza, per cui la temperatura di giunzione risulta inferiore al limite massimo con un certo margine di sicurezza. E’ possibile stimare la temperatura di funzionamento della giunzione quando questo dissipatore di calore è montato sommando l’impedenza termica del componente scelto con i valori impedenze tra giunzione e contenitore e tra contenitore e dissipatore e moltiplicando il valore ottenuto per la potenza dissipata per determinare l’incremento di temperatura. Aggiungendo questa cifra al valore della temperatura ambiente nel caso peggiore previsto per questa applicazione (50 °C) si ottiene la temperatura di funzionamento stimata:
Temperatura di giunzione stimata: = TAmbient + Watt x (RθJ-C + Rθ C-S + Rθ S-A)
Temperatura di giunzione stimata = 50 + 2,78 x (0,5 + 0,45 + 19,1)
Temperatura di giunzione stimata = 105,7 °C
Si tratta di un valore decisamente inferiore rispetto a quello definito per la temperature di giunzione massima ammissibile: ciò significa che il dissipatore di calore scelto è adeguato per impedire il surriscaldamento del MOSFET.
Ulteriori risorse
Per visualizzare ulteriori risorse per la gestione termica di CUI Devices e ottenere maggiori informazioni circa la gammadi dissipatori della società.
Per leggere ulterioriarticoli tecnici relativi a gestione termica, potenza, interconnessioni, dispositive audio e per il controllo del movimento presenti disponibili nella sezione “Tech Insights Blog” di CUI Devices.