Základy řízení teploty u elektronických systémů

Elektronické součástky „mají rády“, když se při své činnosti nemusí zahřívat. Jakmile se totiž bude jakýkoli prvek sám zahřívat, snižuje to nejen jeho spolehlivost, ale ovlivňuje i ty ostatní okolo něj.

Generované teplo může dlouhodobě namáhat i desku plošného spoje a příp. zhoršovat integritu spojení s dalšími součástkami, včetně dopadu na impedanci trasy. Na vině obvykle bývá odpadní teplo z napájecích zdrojů nebo též jakékoli formy výkonového zesilovače (audio, vysokofrekvenční), nicméně do značné míry se budou zahřívat i moderní SoC (systems-on-chip), moduly pro konverzi napájení či rychlé mikroprocesory. V článku se proto zaměříme na možné zdroje tepla v elektronických obvodech a ukážeme i různé způsoby jeho řízení.

Pátrání po zdrojích tepla

Řízení teploty je s návrhem elektroniky neoddělitelně spojeno. Pomáhá totiž s regulací teploty elektronických součástek a zamezuje poškození z titulu přehřátí. Některé prvky generují teplo již z principu, a pokud nedojde k jeho přiměřenému rozptýlení, můžeme tím snížit celkovou životnost nebo způsobit i nevratné poškození. Řízení teploty proto spočívá v udržení bezpečné provozní teploty elektronických součástek pro zajištění jejich dlouhodobé spolehlivosti a také výkonu. Vyráběné teplo si představujeme jako energetickou ztrátu signalizující klesající účinnost. Jak ještě uvidíme, k rozptýlení tepla vedou různé metody – vynucené chlazení vzduchem s využitím ventilátoru nebo odvod prostřednictvím chladiče.

Když uvažujeme o řízení teploty, je nezbytně nutné pochopit rozsah bezpečné provozní teploty pro každou součástku v návrhu. Dokumentace takovou informaci obvykle nabízí, když specifikuje rozsah mezi oběma teplotními limity (spodní i horní). Často se také hovoří o tzv. bezpečné pracovní oblasti SOA (safe operating area). Ta nám definuje rozmezí, ve kterém bude součástka spolehlivě fungovat bez rizika nepředvídatelného chování či předčasného stárnutí. Zapomenout ale nesmíme ani na okolní teplotu, při které bude zapojení obvykle provozováno. V dalším textu uvádíme aplikace a součásti, které nám nežádoucí teplo pravděpodobně generují.

Konverze napájení

Napájecí zdroje převádějící střídavé síťové napětí na nižší DC výstupy vnáší pokaždé nějaké ztráty. Jejich účinnost se zpravidla odvíjí od zatěžovacích podmínek a topologie měniče. 160wattový spínaný AC/DC zdroj XP Power ASB160 má třeba při plném zatížení maximální účinnost 91 až 93 %. To znamená, že by se až 9 % ze 160 wattů na vstupu čili 14,4 W přeměnilo na teplo. Pravděpodobnými zdroji tepla zde budou spínací MOSFETy, diody a indukčnosti.

Řízení motorů

Výrazné nežádoucí tepelné ztráty mohou způsobit i MOSFETy ve výkonových obvodech budičů průmyslových motorů. Primárními zdroji se obvykle stávají koncový stupeň složený z polovodičů nebo integrovaných modulů, takže se neobejdeme bez chladičů, resp. i dalších opatření. Vlastní sériový odpor, který se uplatní při průtoku proudu takovým tranzistorem či jinými výkonovými polovodiči, může být docela malý. V zapojeních s vysokým napětím a také odběry se ale stále jedná o značné ztráty.

Samoohřev pasivních prvků

Interní samoohřev pasivních součástek, jako jsou kondenzátory, rezistory nebo indukčnosti, dobře známe. Pravda, takto ztracená energie bývá u každého z prvků docela malá, nicméně zmíněné součástky se obecně používají ve velkém počtu, takže se i ony stávají výrazným zdrojem tepla.

Zesilování

Nějaké teplo se bude rovněž ztrácet v každém obvodu zesilovače, ať již vychází z diskrétních polovodičů nebo modulu. Nejčastěji zde hovoříme o audio a vf zesilovačích. Roli zde bude hrát jejich účinnost a také vstupní podmínky. Některé topologie zde pracují efektivněji, takže je klíčové rozumět možnému špičkovému výkonu, včetně provozní účinnosti, a to za všech okolností.

Trasy na DPS a vzájemná propojení

Při špičkovém zatěžování vždy existuje možnost, že impedance trasy na desce plošného spoje začne produkovat teplo. Její šířku a také layout je proto zapotřebí spočítat s ohledem na maximální provozní zatěžování. V opačném případě zde totiž hrozí lokální ohřev, deformace nebo snad i zahoření. Nejinak je tomu i v případě dlouhodobého nadměrného zatěžování vzájemných propojení na desce, která mohou v případě vývodů na konektoru generovat teplo a hrozit poškozením, eventuálně i rozpálením.

Kromě toho, že prozkoumáme dokumentaci a zjistíme bezpečné provozní teploty součástek, resp. porozumíme parametrům obvodu, nám přesný obrázek o nejdůležitějších součástkách generujících teplo pomůže zajistit i termokamera – viz obr. 1.

Obr. 1  Teplotní IR zobrazení desky s významnými zdroji tepelných ztrát; zdroj: Teledyne Flir

Vliv teploty na spolehlivost součástek

Na spolehlivost součástek mohou mít zvýšené teploty zásadní vliv. Obr. 2 nám ilustruje předpokládanou životnost (spolehlivost) vícevrstvého keramického kondenzátoru MLCC (multi-layer ceramic capacitor) se jmenovitou teplotou +85 °C a také +105 °C. Když např. pracujeme při +50 °C, bude mít MLCC definovaný pro +85 °C životnost 40 let. Jakmile se ale průměrná provozní teplota zvýší o deset stupňů na +60 °C, klesneme na pouhých deset roků.

Obr. 2  Vliv teploty na životnost kondenzátorů MLCC; zdroj: Murata

Spolehlivost každého systému nám definuje tzv. MTBF (mean time between failure), přičemž k výpočtu zde poslouží parametry součástky. Jakékoli zvýšení průměrné provozní teploty z důvodu nadměrného tepla pak tuto dobu logicky snižuje. U spousty polovodičových součástek a také baterií navíc v souvislosti s teplotou hrozí nekontrolovatelné chování. V této řetězové reakci se kvůli nárůstu teploty zvyšuje i průtok proudu, což roztáčí vzestupnou spirálu, která může skončit selháním součástky, přetížením systému a třeba i požárem.

Jak s teplotou naložit

K dispozici máme několik způsobů, jak s výskytem tepelných ztrát naložit. Zahrnují přitom vedení a také proudění. Vedením rozumíme přenos tepla (tepelné energie) z jednoho předmětu na druhý. Odčerpáním energie z horké součástky do chladnějšího předmětu snižujeme její teplotu. Vedení je také nejúčinnějším způsobem přenosu tepla, protože si na povrchu žádá nejmenší plochu.

V případě konvekce se ke snížení teploty předmětu a rozptýlení ztrát do okolního prostředí využije proudění vzduchu. Když bude vháněno více vzduchu, roste jeho průtok a teplota zdroje se snižuje. Proudění vzduchu se může vyskytnout přirozeně, nebo je lze i vynutit. Proces teplotního rozptylu kupříkladu zrychlíme s využitím ventilátoru. Skutečnou plochu povrchu součástky nám navíc zvětšují chladiče, takže obdržíme ještě lepší výsledek.

Tepelná impedance a materiály pro teplotní rozhraní

Tepelná impedance určuje účinnost materiálu při odvodu tepla a pro výpočty spojené s řízením teploty představuje důležitý parametr. Materiály TIM (thermal interface material), jako jsou podložky, gely či pasty, nám kupříkladu zlepšují vedení tepla v případě výkonových MOSFETů. Někdy zde můžeme počítat i s galvanickým oddělením. Würth Elektronik má k dispozici celou řadu materiálů TIM – viz také obr. 3. Jedná se např. o řadu WE-TINS, tenké silikonové podložky navržené k elektrickému oddělení elektronických součástek a chladicích prvků, zatímco je umožněn odvod tepla, nebo jindy zase sérii WE-TGFG obsahující umělou grafitovou vrstvu ovinutou kolem pěnového jádra pro zajištění alternativního řešení při výplni vertikálních mezer a souvisejícím šíření tepla bez silikonů a s vysokou vodivostí.

Obr. 3  Příklad některých materiálů (TIM) od Würth Elektronik; zdroj: Würth Elektronik

Svou řadu řešení pro řízení teploty má v nabídce i firma Panasonic, např. grafitové podložky EYG-R. Snadno se instalují a nabídnou vysokou spolehlivost, včetně nízkého tepelného odporu, protože jedna strana bude mít hladší povrch umožňující lepší kontakt. Grafitové podložky Panasonic se vyznačují vysokou stlačitelností a také efektivním vyplňováním prázdného místa mezi chlazenou součástkou a chladicím prvkem pro ještě lepší přenos tepla.

Chladiče

Chladiče máme k dispozici ve všech možných tvarech a také rozměrech. Spousta z nich bude přitom navržena pro konkrétní výkonové polovodiče a také pouzdra integrovaných obvodů, resp. SoC. Další zase pasují standardním průmyslovým modulům, třeba jako chladiče řady ATS maxiFLOW™ od Advanced Thermal Solutions Inc. navržené pro moduly DC/DC měniče v provedení „full-brick“. Spoustu chladičů určených pro pouzdra polovodičových součástek či modulů dostanete rovněž od CUI Devices. S jejich výběrem pomůže [1].

Ventilátory

Ventilátory nám v případě desek plošných spojů a chladičů zajišťují vynucený průtok vzduchu. Od CUI Devices to např. budou DC centrifugální ventilátory s proměnlivou rychlostí a DC axiální ventilátory, obojí se systémem omniCOOL™.

Peltierův článek

Peltierův termoelektrický modul dokáže chladit polovodiče a další malé součástky, přičemž se bude hodit právě do stísněných prostor. U systému, pod kterým je podepsán Jean Peltier (viz také Seebeckův jev), nám průtok proudu přes dva materiály s různou vodivostí zajišťuje přenos tepelné energie mezi nimi. Obvykle jej tvoří polovodičové pelety typu P a N, kde takto vzniklé kompaktní moduly nabídnou „efektivní“ přenos tepla od jeho zdroje k chladiči, a to bez jakýchkoli pohyblivých součástí.

Na obr. 4 sledujeme směřování tepelné energie mezi zdrojem a chladičem. CUI Devices nabízí řadu standardních a také mikro Peltierových článků s ohledem na teplotní gradient až 77 °C.

Obr. 4  Teplotní gradient aneb od zdroje tepla až ke chladiči cestou Peltierova článku; zdroj: CUI Devices

Řízení teploty? Základ každého návrhu

U moderních elektronických systémů se může teplota v jejich omezeném prostoru stát obrovským problémem. Nadměrné zahřívání po delší dobu snižuje životnost součástek a negativně ovlivňuje spolehlivost celého systému. Pokud ale vše uchladíme, situace se obrátí. Krátký článek nám ukázal některé zdroje takových ztrát, včetně doporučených způsobů, jak si s nechtěnou tepelnou energií poradit.

Odkazy:

[1] www.mouser.com/pdfDocs/CUIDevices_how_to_select_a_heat_sink_mouser.pdf

www.mouser.com