Progetti termici ottimizzati

ALIMENTATORI –

È opportuno considerare le problematiche di raffreddamento dell’alimentatore fin dall’inizio del ciclo di progettazione.

È una vecchia diceria che
riguarda gli ingegneri, a volte presa per scherzo, più spesso corrispondente
alla realtà: l'alimentazione è l'ultimo elemento considerato in un progetto. L'atteggiamento
comune è il seguente: "Quando conosceremo la potenza necessaria, dovremo
solo trovare un alimentatore che si adatti". A causa della sempre più
stringente richiesta di prestazioni di sistema, di affidabilità e di efficienza,
alle imposizioni normative e alla crescente pressione sui tempi di
progettazione e sulle finestre di mercato, questo approccio è ormai
inaccettabile. Un progetto efficiente deve considerare le esigenze di
alimentazione, di dissipazione termica e di packaging come un grande insieme, e
questo deve avvenire sin dalle prime fasi di sviluppo. Tutto ciò, naturalmente,
deve fare parte di un corretto percorso di progetto e permetterà di evitare di
accorgersi solo alla fine che serve un alimentatore più grande, o che bisogna
ripiegare su una nuova strategia di raffreddamento ("penso che qui
potremmo solo aggiungere un'altra ventola").

Pianificare l'alimentazione

Benché un'alimentazione
efficiente rappresenti un requisito chiave per una corretta pianificazione,
occorre tenere presente che, anche se l'alimentatore offre un'efficienza del
100%, è sempre necessario trattare adeguatamente il calore dissipato dai componenti
del circuito. La buona notizia è che per la simulazione e la correlazione delle
prestazioni elettriche e termiche, i progettisti hanno oggi a disposizione un
novero maggiore di strumenti (general-purpose o di fornitori specifici) sempre
più potenti, che permettono la definizione di progetti termici ottimizzati.
Queste soluzioni non solo soddisfano gli obiettivi di progetto, ma permettono
anche di ottenere dal sistema le massime prestazioni in termini di potenza
erogabile, riducendo le tolleranze di sicurezza e aumentando l'affidabilità
grazie a delle temperature operative più basse. La pianificazione parte da
alcune considerazioni di base: quanto calore devo dissipare? Quali metodi e
quali percorsi seguire per dissipare il calore? Che tipo di combinazione posso utilizzare
tra raffreddamento per convezione e conduzione? Quest'ultima considerazione
riguarda le scelte costruttive dell'alimentatore.

Open-frame o incapsulato?

I collaudati approcci
"open-frame", come quelli utilizzati nei convertitori Dc-Dc, possono
garantire delle prestazioni ragionevoli, specialmente laddove è presente un
flusso di raffreddamento dedicato e ben definito. Di contro, lo schema
open-frame presenta alcuni limiti. A causa del profilo irregolare, il flusso
d'aria di raffreddamento può essere disomogeneo e potenzialmente ostacolato dai
componenti confinanti. Un dissipatore permette di mitigare il problema, ma in
tal caso è richiesto un materiale aggiuntivo flessibile interposto tra il
convertitore e il dissipatore stesso o, in alternative, un'implementazione
ottimizzata a monte.
Parallelamente, il tasso di
conduzione del calore dai pin del convertitore verso le tracce in rame del
circuito stampato è trascurabile o, nel migliore dei casi, molto modesto. Il
risultato è un raffreddamento scarso, cui si aggiungono punti di calore
localizzati in cui i componenti possono subire un'elevato stress termico. Tali
punti possono manifestarsi in aree specifiche, anche se la temperatura media
dell'insieme rimane entro i limiti ammessi. A differenza delle soluzioni
open-frame, un package di tipo incapsulato permette di superare queste
limitazioni. La superficie
superiore del package - piatta e omogenea - consente di abbinare facilmente il
dissipatore, garantendo un funzionamento più efficace. Similmente, il progetto
ottimizzato e un numero maggiore di terminali offrono l'opportunità di fruire
di semplici percorsi termici a bassa impedenza verso l'involucro e verso il
dissipatore. Questo mix è vincente dal punto di vista termico, sia per quanto
riguarda la convezione sia per quanto riguarda la conduzione. Un beneficio supplementare è
dato da alcuni punti percentuali extra di raffreddamento tramite convezione
attraverso le pareti laterali. Il composto dello stampo equilibra anche le
condizioni termiche complessive, riducendo i pericolosi punti caldi e
assicurando un aumento della quantità di calore estratta dall'unità. In tal caso, per esempio, se
un modulo Bus Converter BCM VI Chip di Vicor eroga 330 W con una temperatura
dell'involucro di 100 ⁰C , la potenza sale a 375 W con un TCASE di
85 ⁰C, cioè un incremento del 13,5% a fronte del medesimo ingombro. Un vantaggio aggiuntivo è
dato dal fatto che un package incapsulato permette di superare i vincoli di
spaziatura imposti dalle norme, consentendo di gestire tensioni di ingresso più
elevate - fino a 400 V - a fronte di contenitori più piccoli. Tale aspetto è
particolarmente importante, visto che un valore di tensione ingresso più
elevato rappresenta uno degli elementi chiave per aumentare l'efficienza.

Tool di analisi

Vicor offre dei tool di
modellazione per package incapsulatii che consentono di analizzare in anticipo
e con un elevato grado di precisione le prestazioni elettriche e termiche
dell'alimentatore. Tali strumenti permettono di analizzare preliminarmente la
modellazione termica, evitando così l'onere di rivedere e riprogettare il
circuito in fasi successive, e garantendo quindi un prodotto migliore e più conveniente.

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