Efficienza nella dissipazione per il controllo motori

CONTROLLO MOTORI –

Nei circuiti di pilotaggio motori, ottenere la massima efficienza mantenendo il controllo della potenza dissipata e della temperatura del componente dipende dalla modalità con cui il circuito è stato montato: se direttamente su una scheda, o interponendo un dissipatore o utilizzando un sistema di ve

Nel pilotaggio motori, ogni applicazione ha caratteristiche peculiari che la rendono abbastanza unica ed ognuna deve rispettare specifici vincoli e limiti. Una delle variabili che entrano in gioco più spesso è la tipologia di montaggio adottato per il circuito di pilotaggio e la relativa modalità di raffreddamento, strettamente collegate alla potenza massima e alla dinamica termica del sistema.
L'utilizzo di dissipatori e pad può essere molto importante nel contenere gli effetti di riscaldamento dei circuiti; considerando a titolo di esempio un tipico amplificatore switching per il pilotaggio di motori trifase (Cirrus Logic SA306-IHZ) utilizzato con un microcontrollore a 16 bit di Microchip dsPIC33 Digital Signal Controller, che include un'interfaccia dedicata per il controllo motori e permette di comandare il SA306-IHZ sia con onde quadre che con onde sinusoidali, si possono analizzare le tre tipologie classiche di montaggio. Il montaggio superficiale di un circuito integrato di potenza direttamente sul circuito stampato, saldandolo ai normali pad delle piste in rame, è il modo più semplice ed economico di procedere, adatto in particolare alle applicazioni di ridotta potenza. Con questo tipo di montaggio il dissipatore metallico (heat slug), che spesso è presente nei package di potenza dei circuiti integrati, diventa un’efficace via di dispersione termica e conduce il calore verso lo strato in rame del piano di massa sul lato esterno del circuito stampato. Sotto il dissipatore, e quindi sotto il package , vengono realizzati alcuni fori passanti metallizzati, ognuno dei quali, in particolare se riempito di lega saldante che conduce più dell'aria, costituisce un percorso termico privilegiato verso il piano di massa. Molto importante è la deposizione di una quantità adeguata di lega saldante al di sotto del dissipatore stesso, perché in effetti è la lega a costituire la vera interfaccia termica tra package e le metallizzazioni del circuito stampato.
L'andamento della temperatura a livello del dissipatore raggiunge i 130 °C per una potenza di uscita pari a 20 watt e a temperatura ambiente di 30 °C, ovvero con un gradiente di 99,6 °C. Di regola si sceglie di far funzionare il dispositivo a livelli di potenza inferiori, in modo da permetterne l'operatività costante anche in caso di temperatura ambiente elevata. Se si considera il massimo intervallo di temperatura ambiente per le applicazioni industriali (fino a 85 °C) la potenza massima disponibile in continua, utilizzando questa tecnica di montaggio, è di circa 9 watt.
I valori illustrati fanno riferimento a un’applicazione con un motore che funziona a velocità costante; nelle applicazioni con frequenti accelerazioni, o decelerazioni, occorre anche conoscere il valore del tempo di risposta termico ovvero intervallo di tempo necessario affinché la temperatura al livello del dissipatore passi dal valore iniziale (temperatura ambiente) al valore finale per poi rimanere costante. Questo intervallo di tempo indica anche il tempo necessario a trasferire una specifica quantità di calore dal dispositivo al circuito stampato e quindi a disperderlo nell'ambiente. Nel caso considerato, quindi con motore funzionante in continua con una potenza di 9 watt il tempo necessario a raggiungere la temperatura massima (130 °C) a livello del dissipatore, è di circa 80 secondi; sebbene 9 watt di potenza possano sembrare pochi, molti dispositivi di potenza sono comunque in grado di generare correnti di picco di breve durata ma di intensità molto maggiore.
In generale la tecnica di montaggio descritta è adeguata per applicazioni che richiedono una potenza moderata e che devono comunque mantenere il costo complessivo entro limiti ridotti (ventilatori, scanner, videocamere).

Il pad termico
Nelle applicazioni che richiedono livelli maggiori di potenza per periodi di tempo prolungati, ma in cui comunque l'obiettivo di contenimento dei costi, nei materiali e nel progetto, è prioritario, si interviene sulle tecniche di montaggio modificandole opportunamente. Una delle soluzioni adottate più di frequente è quella di ricavare nel circuito stampato un'area vuota in cui inserire un thermal pad, ovvero uno strato cuscinetto termoconduttivo. Rispetto alla soluzione precedente, con fori passanti metallizzati riempiti di lega saldante, il pad termico facilita la trasmissione del calore (diminuisce la resistenza termica) tra il dissipatore integrato nel package e lo strato in rame sul lato inferiore del circuito stampato. Il pad termico è solitamente realizzato con materiali polimerici compositi scelti tra quelli con minore resistenza termica; il pad è solido e resistente ma mantiene comunque un certo grado di malleabilità, caratteristica questa molto utile perché permette di sopportare le microvariazioni dimensionali e gli spostamenti conseguenti al riscaldamento del punto di contatto di materiali con differenti coefficienti di espansione termica. L'impiego di un pad termico spesso circa 2 mm è utilizzato come cuscinetto tra il package del circuito stampato e lo strato in rame del circuito stampato, su cui è montato un ulteriore dissipatore ad alette.
Questa configurazione offre tutta una serie di vantaggi, tra cui il fatto che il dispositivo viene comunque montato come un normale componente Smt, il fatto che l'accoppiamento termico è praticamente costante anche se si utilizzano circuiti stampati con grosse tolleranze sullo spessore e infine il fatto che la posizione del dissipatore non deve esser particolarmente precisa. In pratica si aumenta la superficie di contatto con l'ambiente e si riduce la resistenza termica dell'interfaccia del dispositivo di un fattore 10, considerando che un pad termico spesso 1,2-2 mm ha una resistenza termica che varia tra 0,15 e 0,35 °C/W.  Con un pad termico la potenza continua in uscita può essere aumentata fino a oltre 50 watt, con una temperatura del die fio a oltre 155 °C, sempre per una temperatura ambiente tra 25 e 30 °C. La massima potenza ottenibile per questa configurazione, nel rispetto del range di temperatura industriale, cioè fino a 85 °C, è di 20 watt. In pratica una potenza doppia rispetto alla soluzione precedente. Inoltre, il vantaggio di questa soluzione si esprime anche nella riduzione del tempo di risposta termico che diventa di soli 40 – 50 secondi permettendo di comandare accelerazioni e decelerazioni di carichi meccanici anche pesanti in varie applicazioni industriali. Come ulteriore passo in avanti, l'aggiunta di un dissipatore ad alette permette al dispositivo di potenza di esprimere al massimo le proprie caratteristiche; in questo caso il problema è come montare il dissipatore: la soluzione classica è quella di utilizzare un package con dissipatore metallico integrato (heat slug) rivolto verso l'alto
(ad esempio i package standard Hsop sono disponibili sia con dissipatore in alto o in basso) per pi montare il dissipatore ad alette interponendo uno strato di pasta termoconduttiva tra le due superfici.

La tecnologia del package capovolto
In alternativa esiste una soluzione, sviluppata proprio da Cirrus Logic, che prevede di montate il dispositivo capovolto, piazzandolo entro un'apposita apertura nel circuito stampato, per poi montare il dissipatore ad alette analogamente a quanto previsto nella soluzione precedente. In questo caso però, il processo avviene sempre sullo stesso lato della scheda, con un solo passaggio nei sistemi di montaggio automatico. Con la tecnologia del package capovolto la potenza massima corrispondente a d una temperatura del die di circa 130 °C è sempre di poco superiore a 50 watt, ,a sul range di temperatura industriale, cioè fino al limite di 85 °C la potenza massima continua aumenta fino a quasi 30 W, con un significativo guadagno rispetto alla soluzione con pad termico. Vantaggio ribadito anche dall'ulteriore riduzione del tempo di risposta che scende a soli 40 – 45 secondi e che permette quindi aumenti di potenza ovvero accelerazioni del motore anche frequenti e a brevi intervalli. Senza contare che la posizione del dispositivo permette anche di scegliere vari metodi di raffreddamento r dissipazione, ognuno con proprie caratteristiche di costo e di efficacia.

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