Collaudo termico dei moduli di alimentazione su scheda

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In questo articolo sono affrontati alcuni dei problemi chiave relativi al derating termico e alla gestione termica dei moduli di alimentazione su scheda.

La domanda di moduli di alimentazione su scheda ad alta densità di potenza è in costante aumento. Per soddisfare a questa richiesta è necessario riuscire a “estrarre” più watt da uno stesso volume (se non addirittura da volumi inferiori); ciò si traduce in una maggiore generazione di calore, a parità di dimensioni del contenitore, che deve essere in qualche modo dissipato. Inoltre vi è anche l’esigenza di aumentare il tempo tra i guasti (MTTF) di tali dispositivi. Questo parametro è inversamente proporzionale alla temperatura di funzionamento dei componenti elettronici. Di conseguenza, la gestione termica, ossia il flusso d’aria richiesto per mantenere la temperatura negli intervalli specificati, ha assunto un’importanza sempre maggiore.

L’impiego di topologie a più alta efficienza, materiali migliori, un layout ottimizzato e componenti a bassa perdita sono fattori fondamentali se si desidera ottenere una maggiore densità di potenza e, al contempo, una migliore affidabilità. Quando le suddette caratteristiche sono state soddisfatte, il successivo punto su cui focalizzare l’attenzione è la gestione termica in termini di aerazione (flusso d’aria). Ciò consente di ottimizzare l’uso dell’applicazione finale, ottenere la massima potenza in uscita oltre a elevati livelli in termini di affidabilità e MTTF.

Le prestazioni termiche dei moduli di alimentazione andrebbero valutate in un ambiente in cui la temperatura e il la velocità del flusso d’aria possano essere controllati con precisione. Ciò si ottiene normalmente in una “galleria del vento ad anello chiuso” mediante strumenti in grado di riscaldare e controllare la temperatura dell’aria nella galleria. La sezione di prova di una galleria del vento è illustrata in figura 1.

Fig. 1 – Collaudo di un modulo di alimentazione su scheda tramite galleria del vento

Solamente dopo l’acquisizione e l’analisi dei dati è possibile determinare le prestazioni termiche del modulo. Sotto molti aspetti, l’ambiente di una galleria del vento ricorda le apparecchiature presenti in sistemi quali reti di calcolatori, sistemi di telecomunicazione, reti wireless e sistemi avanzati di calcolo, nel senso che utilizza un circuito stampato montato verticalmente (scheda di prova), con una distanza fissa dalle superfici o schede adiacenti, in modo del tutto simile a quanto avviene nei normali armadi e rack industriali.

Il modulo di potenza da collaudare viene saldato alla scheda di prova, che viene quindi posizionata verticalmente nella galleria del vento. La distanza tra la scheda di prova e la parete laterale della galleria è fissata a un pollice (2,54 cm), che è una distanza tipica in un rack di schede. Il dispositivo da collaudare (UUT, Unit Under Test) ha quattro possibili orientamenti rispetto al flusso d’aria. Ci possono essere differenze significative nelle prestazioni termiche a seconda dell’orientamento. È quindi indispensabile identificare e utilizzare l’orientamento migliore per generare i dati relativi alla riduzione delle prestazioni (derating).

Preparativi per il collaudo termico tramite flusso d’aria
Innanzitutto occorre determinare se il dispositivo da collaudare è pienamente funzionante ed è un campione rappresentativo di una “normale” produzione. Prima di dare inizio al vero e proprio collaudo termico tramite flusso d’aria, è opportuno esaminare il dispositivo attraverso strumenti termografici per accertarsi che non vi siano “punti caldi” (hot spot). In questa eventualità, occorre eliminare la causa che genera tali punti prima di procedere oltre. Anche se i punti caldi possono essere individuati mediante simulazione, i risultati avrebbero la stessa precisione dei dati immessi e andrebbero sempre confermati attraverso strumenti termografici. Una tipica immagine a infrarossi di un modulo di potenza è illustrata nella figura 2.

Fig. 2 – Immagine a infrarossi campione per un modulo di alimentazione

Prima di effettuare le prove termiche tramite flusso d’aria, si dovrebbe verificare che il dispositivo sia perfettamente funzionante e i livelli di efficienza e di dissipazione di potenza siano quelli richiesti.

I componenti critici sono quelli componenti che limitano le prestazioni termiche del dispositivo. Essi includono tra gli altri MOSFET di potenza, diodi, integrati di controllo, optoaccoppiatori, lo stesso circuito stampato e nuclei magnetici. La temperatura massima di tali componenti non dovrebbe superare i valori definiti dalle linee guida per la riduzione delle prestazioni (Derating Guidelines), basate solitamente sui specifiche fornite dai fornitori, dai clienti o del mercato in generale.

I componenti critici possono cambiare in base alle condizioni operative oppure se mutano la linea di alimentazione e il carico.

Misura della temperatura
La temperatura del dispositivo nella galleria del vento dovrebbe essere monitorata con una fotocamera a infrarossi in grado di esaminare i componenti critici attraverso una finestra a infrarossi posta sulla galleria del vento. Si noti che la fotocamera a infrarossi identifica la temperatura massima di un’area di dimensioni e forma variabili, in modo che sia possibile racchiudere, se si desidera, un intero componente (a differenza delle termocoppie che potrebbero non trovarsi sul punto più caldo). L’uso di termocoppie è un metodo di misura meno indicato, ma rappresenta di sicuro una possibilità. Il giunto caldo della termocoppia (in cui i fili sono saldati insieme) è realizzato con un adesivo termicamente conduttivo, applicandone una quantità minima tra la termocoppia e il componente nascosto per ridurre al minimo la caduta termica tra la termocoppia e il componente nascosto. È importante comprendere appieno la modalità di realizzazione e di collegamento di una termocoppia se si desidera effettuare misure di temperatura accurate.

Montaggio del dispositivo
Il dispositivo va montato su un circuito stampato che in termini di dimensioni, numero di strati e quantità di rame ricordi da vicino quello dell’applicazione finale. Esso va montato al centro del circuito stampato. Le prove devono essere effettuate montando il dispositivo sia trasversalmente, prima in un senso e poi nell’altro, sia longitudinalmente, prima in un senso e poi nell’altro. È opportuno riportare nelle note applicative l’orientamento ottimale del dispositivo e la corrispondente curva di derating. È inoltre utile registrare tutti i dati di misura in modo che sia possibile consultarli in futuro in caso di necessità. Le schede di prova su cui sono montati dispositivi già collaudati vanno datate e registrate, in modo che possano rappresentare futuri riferimenti. Prodotti destinati ad elevate altitudini richiedono ulteriori test e valutazioni, ma ciò esula dallo scopo di questo articolo.

Dati delle prove termiche e condizioni delle prove di derating
I dati di collaudo vanno rilevati in corrispondenza della tensione d’ingresso nominale e per più tensioni di ingresso nel caso di dispositivi con un ampio intervallo di tensioni operative d’ingresso. Le prove andrebbero ripetute aumentando gradatamente la velocità del flusso d’aria, partendo da una convezione naturale fino ad arrivare a 600 LFM (3 m/s) nei dispositivi ad alta potenza.

La temperatura della galleria del vento va aumentata gradualmente e in modo uniforme dalla normale temperatura ambiente fino a 100 ºC. In corrispondenza di ciascuna velocità del flusso d’aria, si incrementa la temperatura della galleria del vento partendo dalla temperatura ambiente fino a raggiungere una temperatura critica per qualche componente.

A questo punt
o, si riduce il carico facendo in modo che la temperatura di ciascun componente resti prossima a quella critica, ma senza superarla. Questi passi vengono ripetuti fino a raggiungere la massima temperatura ambientale. Questo ciclo continua finché il dispositivo non è stato collaudato per ciascuna velocità del flusso d’aria. In ciascun punto di misura, è bene far stabilizzare la temperatura prima di registrare la relativa corrente di carico. Ciò significa che la misura dovrebbe essere ripetuta più volte per accertarsi che sia stata raggiunta la temperatura massima del componente critico in corrispondenza di ciascuna velocità del flusso d’aria e della temperatura ambiente.

Vi possono essere diverse configurazioni per il dispositivo da collaudare. Possono ad esempio essere disponibili una piastra di appoggio o un dissipatore termico: in tal caso, la prova termica va ripetuta per tutte le differenti configurazioni.

Preparativi per la prova di derating sui moduli di alimentazione
I dati sulle prestazioni termiche di un dispositivo si basano su misure ottenute da una prova in una galleria del vento come illustrato in figura 1. L’utente finale ha la responsabilità di accertarsi della presenza di un flusso d’aria in grado di raffreddare adeguatamente il dispositivo nell’ambiente nel quale viene utilizzato. È importante per l’utente condurre le prove alle temperature estreme dell’ambiente di destinazione, senza basarsi su estrapolazioni lineari di altre misure termiche. Le prestazioni termiche del modulo di alimentazione sono influenzate da fattori di utilizzo come la direzione del flusso d’aria, lo spessore e le dimensioni del circuito stampato e i componenti adiacenti per quanto riguarda la temperatura e gli effetti sul flusso d’aria.

Il modulo di potenza è saldato al centro di un circuito stampato nella galleria del vento. Il canale di passaggio del flusso d’aria ha sezione rettangolare. L’orientamento del modulo di potenza rispetto alla direzione del flusso d’aria può avere un impatto significativo sulle prestazioni termiche del modulo. Occorrerebbe inserire un collimatore del flusso d’aria (chiamato a volte “contractor”) a monte del dispositivo da collaudare, nel caso siano presenti turbolenze nel flusso d’aria, al fine rendere il flusso d’aria uniforme e minimizzare la turbolenza stessa. Le note applicative del prodotto dovrebbero riportare l’orientamento ottimale e fornire i dati sul derating termico per quell’orientamento. È consigliabile registrare anche i dati di misura relativi agli altri orientamenti così che siano disponibili in caso di necessità. Il collaudo termico dei moduli di alimentazione, effettuato con le tecniche corrette, è quindi di fondamentale importanza per disporre di informazioni utili sul derating termico al fine di consentire un impiego ottimale nelle applicazioni finali.
 

Don Gerstle, VP Design Quality, Murata Power Solutions

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