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TECH INSIGHT THERMAL MANAGEMENT Alla ricerca delle fonti di calore La gestione termica è un aspetto cruciale della progetta- zione elettronica, in quanto aiuta a regolare la tempera- tura dei dispositivi elettronici e a prevenire i danni do- vuti al surriscaldamento. Alcuni componenti elettronici, durante il loro normale funzionamento, generano calore che, se non dissipato in maniera adeguata, può ridurre la vita operativa dei componenti stessi o causare danni permanenti. La gestione termica si pone l’obiettivo di mantenere temperature di funzionamento sicure per i componenti elettronici, garantendone così l’affidabilità e le prestazioni sul lungo termine. Il calore generato è con- siderato una perdita di energia, indicando una riduzione dell’efficienza energetica. Come si vedrà più avanti, per la dissipazione del calore è possibile utilizzare vari me- todi, dal raffreddamento ad aria forzata tramite una ven- tola alla convezione del calore mediante un dissipatore. Quando si prende in considerazione la gestione termica, è indispensabile conoscere l’intervallo di temperatura di funzionamento sicuro per ogni componente del progetto. Nei datasheet di solito viene fornita questa informazione sotto forma di un intervallo che indica i valori di tem- peratura massima e minima, spesso denominato area di funzionamento sicura (SOA – Safe Operating Area). L’a- rea SOA definisce l’intervallo all’interno del quale il com- ponente funzionerà in modo affidabile senza dar luogo a comportamenti imprevedibili o a fenomeni di invecchia- mento prematuro. Un altro importante aspetto da tenere in considerazione è la temperatura dell’ambiente all’in- terno del quale il circuito dovrà abitualmente operare. Le applicazioni e i componenti che possono generare ca- lore indesiderato sono i seguenti: Conversione di potenza: gli alimentatori che convertono la tensione alternata (CA) di rete in tensioni continue (CC) di valore inferiore sono sempre soggetti a qualche per- dita. L’efficienza di un alimentatore solitamente varia in funzione delle condizioni di carico e della topologia di conversione. Per esempio, ASB160 di XP Power è un ali- mentatore a commutazione CA/CC da 160 W caratteriz- zato da un’efficienza di conversione compresa tra il 91 e il 93% in condizioni di pieno carico. Questa specifica relati- va all’efficienza indica che è necessario dissipare fino al 9% (14,4 W) dei 160 W di energia in ingresso dalla rete. In un alimentatore, le principali fonti di calore sono i MO- SFET di commutazione, i diodi e gli induttori. Azionamenti: I MOSFET dei circuiti di pilotaggio del gate di motori industriali di elevata potenza possono genera- re una notevole quantità di calore indesiderato. Lo stadio finale di semiconduttori o moduli integrati rappresen- ta solitamente la principale fonte di calore e richiede la presenza di dissipatori o di altri componenti termici. La resistenza interna durante la conduzione di un MOSFET o di un altro semiconduttore di potenza può avere un va- lore relativamente basso. Tuttavia, il calore generato può essere considerevole nelle applicazioni che prevedono valori elevati di corrente e di tensione. Autoriscaldamento dei componenti passivi: l’autoriscalda- mento interno di componenti passivi come condensato- ri, resistori e induttori è un fenomeno ben noto. Anche se la quantità di energia dissipata può essere relativamente ridotta a livello di singola unità, non bisogna dimentica- re che questi componenti sono utilizzati in gran numero, trasformandosi quindi in una fonte di calore significativa. Amplificazione: qualsiasi semiconduttore o circuito di am- plificazione basato su moduli genererà una certa quantità di calore. I principali responsabili sono gli amplificatori audio e a radiofrequenza (RF). La potenza in ingresso e l’efficienza di un amplificatore determinano la massima quantità di calore che dovrà essere dissipata. Poiché al- cune topologie di amplificatore risultano più efficienti, la conoscenza della probabile potenza di picco e dell’effi- cienza operativa dell’amplificatore in tutti i possibili casi d’uso è un elemento essenziale. Interconnessioni e piste della scheda PCB: in presenza di ca- richi di picco, esiste sempre la possibilità che l’impeden- za delle piste della scheda PCB possa generare calore. Nel calcolo dell’ampiezza delle piste e nella stesura del layout è necessario prendere in considerazione le condi- zioni operative più estreme, al fine di evitare l’insorgere di fenomeni di riscaldamento, deformazione o bruciatura localizzati. Allo stesso modo, un carico eccessivo e pro- lungato delle interconnessioni della scheda PCB può ge- nerare calore nei terminali del connettore, che può pro- vocare danni o potenziali bruciature. Fig. 1 – In questa immagine termica a infrarossi di una scheda PCB sono visibili fonti di calore di notevole intensità (Fonte: Teledyne Flir) ELETTRONICA OGGI 514 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2023 22