Considerações de layout para designs de alta potência

Designers devem se certificar que uma placa é eletricamente sã e termicamente balanceada para operação apropriada e eficiência ótima.
Shasta Thomas, Engenheiro de Aplicações de Clientes e Bill Quach, Membro da equipe técnica da Maxim Integrated Products Inc. - EDN, October 31, 2011

Um rápido tutorial térmico

Em geral, equações térmicas para semicondutores podem ser modeladas segundo equações elétricas, de tal forma que a bem conhecida e amada lei de Ohm (V = I x R) se torna ΔT = P x θ, onde ΔT é o diferencial térmico em °C, P é a potência em Watts, e θ é a impedância térmica (°C/W). Para dispositivos semicondutores, ΔT é a temperatura diferencial da junção do dispositivo (por exemplo, o ponto mais quente da pastilha) e outro ponto (por exemplo, ar ambiente ou a placa) e a impedância térmica, θ, é a resistência térmica de um ponto a outro.
A impedância térmica é frequentemente medida da junção de um CI a outro ponto (o ar atmosférico, encapsulamento ou placa) e é descrito como resistência de junção ao ambiente, θJA, resistência de junção para encapsulamento, θJC, ou resistência de junção à placa, θJB, nos datasheets (Figura 1).

Figura 1. Impedâncias térmicas de um CI semicondutor: *θJB é a resistência térmica da junção à placa. Mostrado aqui, esta é a resistência térmica através de um pad exposto. Contudo, para encapsulamentos sem pad exposto, a resistência é medida da junção para a placa através da área de chumbo.

Um bom design térmico é requerido para manter um dispositivo operando dentro de condições de temperatura seguras. A temperatura de junção, TJ, para um CI pode ser calculada como TJ = TA + (P x θJA) e ela nunca deve exceder o limite listado no datasheet do fabricante (geralmente variando entre +125°C e +175°C). Valores de impedância térmica, também, devem ser obtidas do fabricante original já que elas são altamente dependentes do encapsulamento e do dispositivo.
É importante notar que, enquanto as equações térmicas podem ser modeladas como equações elétricas, a precisão esperada quando trabalhando com eletricidade não se mantém válida para operação térmica. Frequentemente, as características térmicas reais podem variar tanto quanto 30% do valor calculado.

Considerações de potência para a placa

O layout da placa deve ser considerada desde o princípio de um desenho. A regra mais importante para placas de alta potência é conhecer as trilhas de potência. A localização e quantidade de potência através de um circuito é um fator principal ao decidir a posição dos CIs e o tipo e quantidade de dissipação de calor requerido no PCB.
Muitos fatores afetam a quantidade de calor para um dado design. Alguns destes fatores incluem:

• A quantidade de potência pelo circuito
• A temperatura ambiente em volta do dispositivo e da placa
• A quantidade de vazão de ar em volta do dispositivo e da placa
• O material da placa
• A densidade de CIs na placa

Posicionamento de componentes

Circuitos analógicos e placas de sinais mistos geralmente incluem blocos analógicos de alta potência e blocos digitais sensíveis ou blocos analógicos de baixa potência. Comece o layout pelo desenho e posicionamento dos blocos de potência. Mantenha curtas e largas as conexões em blocos individuais de potência e se assegure contra loops de terra desnecessários ou geração de ruídos. Múltiplos tutoriais e application notes têm sido escritos sobre técnicas de layout e recomendações para circuitos de potência^(3)(4)(5). Em geral, pontos importantes para se lembrar são:

• Identificar e reduzir loops de corrente, especialmente caminhos de alta corrente
• Limite quedas de tensão resistiva e outros parasitas entre componentes.
• Posicione circuitos de alta potência longe de circuitos sensíveis.
• Use boas técnicas de aterramento.

Evite juntar múltiplos componentes de potência em um PCB. Colocar estes componentes geradores de calor igualmente sobre a placa maximiza o balanceamento térmico da placa e protege o PCB de se entortar. Reduzir o calor na placa de forma eficiente também protege outros circuitos e sinais sensíveis durante a operação.

Montagem de CIs e Componentes

Enquanto energia flui pelo circuito, tanto componentes passivos quanto passivos geram calor. Calor gerado em componentes passivos e CIs devem ser igualmente dissipados para o ar ambiente mais frio ao redor do dispositivo. Este calor é geralmente dissipado através do encapsulamento ou através do dispositivo.
Nos últimos anos, os fabricantes de encapsulamentos de CIs têm fabricado encapsulamentos com características térmicas cada vez melhores. Contudo, mesmo com estes avanços nos encapsulamentos, a dissipação de calor se torna cada vez mais difícil já que os CIs continuam a diminuir de tamanho.
Muitos encapsulamentos de CI e desenhos de placas não deixam muito espaço para um dissipador de calor externo, se fazendo necessário extrair o calor através de outro método - entrar no pad exposto. Uma pastilha dentro de um encapsulamento com um pad exposto é diretamente conectado ao pad exposto para uma performance térmica ótima. Corretamente montando estes CIs no PCB otimiza a transferência de calor do encapsulamento para a placa.
Discussões sobre considerações térmicas e técnicas de montagem para CIs individuais tem sido bem documentados por uma grande quantidade de fontes confiáveis e estão fora do escopo deste artigo. Para mais informação sobre técnicas de montagem para encapsulamentos individuais, veja o application note da Maxim: "Thermal Considerations of QFN and Other Exposed-Paddle Package"⁽¹⁾.

Dissipadores de calor

Componentes no caminho de potência podem gerar grandes quantidades de calor e precisam dissipar o calor rapidamente e eficientemente para o ambiente. Um método normalmente usado de dissipação de calor é a adição de dissipadores de calor externo à placa.
O propósito de um dissipador de calor é remover calor de um dispositivo e distribuí-lo para o ar ambiente. Dissipadores de calor são geralmente feitos de materiais que são bons condutores térmicos como alumínio e cobre. Dissipadores de calor fornecem uma área maior para dissipar calor do que um simples CI e deveria ser posicionada onde há circulação de ar, se possível, para máxima dissipação.
O posicionamento de CIs se torna crescentemente importante quando se usa dissipadores de calor externos e a placa deve ser desenhada de forma que um dissipador de calor possa ser fixado em local apropriado. Para otimizar a transferência de calor do CI para o dissipador, você também poderá usar epóxi térmico para facilitar a transferências entre os dispositivos.
Dissipadores de calor geralmente requerem um grande espaço na placa e podem não ser apropriados para aplicações compactas e pequenas. Se este for o caso, desenhe o PCB para otimizar a transferência de calor através da própria placa.

Layout da placa

Cuidado especial deve ser tomado para rotear apropriadamente trilhas de alta potência entre CIs e componentes. Resistência em trilhas de cobre pode ser responsável por significante perda de energia e geração de calor em uma placa, se não usada apropriadamente. Mantenha trilhas entre componentes de potência pequenas e largas e use trilhas mais grossas para trilhas de corrente alta.
A largura mínima recomendada de trilha por ampere para um acréscimo de 10°C na temperatura está entre 10mil a 30mil por 1oz de cobre e é baseado no gráfico de design no padrão IPC-l2221 para desenho de PCB⁽⁷⁾. Veja a seção Espessura da trilha neste artigo para mais informações.
Usando trilhas que são muito pequenas para uma dada corrente podem resultar em performance geralmente degradada ou até mesmo rompimento em casos extremos. Quanto mais potência estiver relacionada: mais largo é melhor.
Desenhistas de placa podem também usar planos de cobre largos e vias na placa para remover calor de dispositivos. Planos largos aumentam a área disponível em um PCB para dissipação de calor de um dispositivo. Idealmente estes planos estão conectados no layer top ou bottom das placas para maximizar a transferência para o ambiente, contudo mesmo planos internos podem ser usados para drenar parte da potência dissipada de dispositivos no PCB⁽⁶⁾.
Vias são usadas para transferir potência de um layer em uma placa para outro. As vias direcionam calor dos conectores da placa-encapsulamento para outro plano ou layer. Múltiplas vias reduzem a resistência térmica do CI para o plano dissipador.

Um exemplo rápido

Um circuito de simulação de bateria⁽²⁾ construído pela Maxim é um exemplo relativamente simples e direto de um circuito de alta potência para questões de layout. Este circuito não contém nenhum dispositivo chaveador ou circuito de controle sensível, eliminando a necessidade de múltiplos planos de terra ou medidas de proteção.
A principal trilha de potência do circuito simulador começa no nó BATT+ e flui através da resistência série de  100mΩ e o transistor TIP35 para retornar ao nó BATT-. (Figura 2).

Figura 2. Este circuito simulador de bateria oferece um exemplo direto de circuito de alta potência para propósitos de layout.

Assumindo uma corrente de carga de 3A, o resistor sensor de entrada deve ser capaz de lidar com pelo menos 900mW. Para minimizar mudanças na resistência durante a operação, um resistor sensor capaz de lidar com mais de 1W deve ser usado para garantir uma resistência de entrada em série constante. Um simples resistor de 5W ou múltiplos resistores em paralelo funcionam bem (Figura 3).
O transistor TIP35 no circuito deve lidar com o volume de potência no circuito. No caso de piores condições, a potência através do transistor TIP35 pode ser calculado como:
\[\begin{equation}P_{TIP35} = \left(V_{BATT+}-V_{BATT-}\right)×I_{BATT}\end{equation}\]
\[\begin{equation}P_{TIP35} = 4.2V × 3A = 12.6W\end{equation}\]
Um dissipador de calor capaz de lidar com 15W ou mais deveria ser usado para dar uma margem razoável de segurança. Ao testar este circuito, um pedaço de cobre de 0.1cm x 10cm x 18.5cm foi usado para drenar o calor do TIP35.
A Figura 3 mostra a placa de 2 layers para este circuito. Múltiplos resistores de 400mΩ 1W são usados em paralelo para o resistor sensor de 100mΩ. Apesar de não ser facilmente visto na figura, múltiplas vias foram usadas para conectar o pad BATT- no layer top ao layer bottom, aumentando a área do plano BATT-. Pasta térmica tem sido usado para melhorar a transferência térmica do transistor para o dissipador de calor.

Figura 3. O circuito simulador de bateria como foi implementado usando uma placa de 2 layers.

Espessura da trilha

Como notado anteriormente, um aspecto importante do desenho para uma placa de alta potência é a espessura das conexões entre componentes. Como fios, tilhas de cobre do PCB possuem uma resistência e a espessura da trilha pode ser um fator importante para a performance de uma placa de circuito de alta potência.
Muitos dos circuitos de alta potência de hoje requerem PCBs com espessura de cobre de 2oz ou mais antes das placas entregarem a potência de saída máxima e dissipar o excesso de calor gerado quando entrega a potência à carga. Designers frequentemente esperam que a fábrica de PCB construa o PCB com a espessura de cobre correta. Contudo, se o processo de fabricação do PCB não é bem controlado, o PCB poderá ser feito com uma espessura que é frequentemente menor que o especificado. Quando o circuito não tem a performance esperada, poderá se tomar muitas longas e frustantes horas para se encontrar um problema que se origina de trilhas com espessura menor que a desejada.
Os engenheiros da Maxim desenvolveram um método rápido e fácil de verificar a espessura de cobre de PCBs antes da montagem para reduzir custos ao reduzir o tempo de verificação de erros e prevenindo gastos desnecessários de tempo ou evitando qualquer atraso na linha de produção.
A espessura de cobre é frequentemente medida em "oz por pés quadrados" (sqft), daí o termo peso de cobre. Para determinar o peso de cobre do PCB, uma tira de teste de comprimento e largura predeterminados pode ser adicionada em uma localização conveniente do PCB. Depois, mede-se a resistência desta tira de testes.
Já que a resistência da tira de teste é muito pequena para ser detectada com um multímetro comum, passe uma pequena e constante corrente através da tira de testes e meça a tensão através da tira Esta tensão é proporcional à resistência através da tira. Finalmente converta a tensão medida para peso de cobre.
Somente uma fonte de baixo custo de corrente constante e um resistor de 5W são necessário para fazer as medições. Esta configuração de testes podem ser facilmente replicados para teste de amostras ou teste de produção de baixo volume em múltiplas linhas de produção ou inspeção de entrada para separar os PCBs com espessura de cobre menor que o desejado e minimizará as chances de usar uma placa fora das especificações.
Vamos ver como isto funciona em um exemplo: inclua uma tira de testes que possui 50 mil de largura e contém duas vias (uma em cada ponta da tira de teste), espaçadas de 2000 mils (centro a centro) do PCB como parte do processo de manufatura do PCB. Passe uma corrente de 50mA através da tira de teste. Isto pode ser feito ao se conectar uma fonte de ~5V DC, um amperímetro e um resistor de 100Ω (5W) em série, através da tira de teste (Figura 4).
Ajuste a fonte de ~5V DC até que o amperímetro mostre exatamente 50mA. Meça a tensão através da tira de teste (em millivolts). Já que a tensão através da tira de teste é muito pequena, certifique-se que todas as conexões estão fazendo bom contato.

Figura 4. Esta figura mostra um exemplo de um teste de peso de cobre com uma tira de 2000mil x 50mil e conexões.

Converta a tensão através da tira de testes usando a seguinte equação:
\[\begin{equation}CuWt = \frac{0.978}{V_{STRIP}}\end{equation}\]
onde \(V_{STRIP}\) é a tensão através da tira de teste medida em milivolts, e CuWt é o peso de cobre da tira de teste medida em [oz/sqft].
Por exemplo, medindo uma tira de testes de 2000mil x 50mil suportando 50mA de corrente, nós medimos uma tensão de 0.489mV através da tira. Usando a equação de CuWt, fica claro que esta tira tem um peso de cobre de 2oz.

Referências:

1. Application note: "Thermal Considerations of QFN and Other Exposed-Paddle Packages". HFAN-08.1, Maxim Integrated Products, Inc. Abril de 2008.
2. Application note: "Simplified Lithium-Ion (Li+) Battery-Charger Testing". AN4322, Maxim Integrated Products, Inc. Dezembro de 2008.
3. Application note: "Layout Considerations for Non-Isolated DC-DC Converters". AN735. Maxim Integrated Products, Inc. Novembro de 2001.
4. Application note: "Proper Layout and Component Selection Controls EMI". AN716. Maxim Integrated Products, Inc. August 2002.
5. Jones, David L. "PCB Design Tutorial", 29 de junho de 2004. www.alternatezone.com.
6. Khan, Zulki. "Designing in Thermal Management". SMT Magazine, 1 de junho de 2010.
7. IPC-2221: Generic Standard on Printed Board Design. www.IPC.org. Fevereiro de 1998.

Traduzido de http://www.edn.com/article/519794-Layout_considerations_for_high_power_circuits.php