Consideraciones térmicas al diseñar circuitería de gestión de potencia

Cuando se diseña la circuitería de un sistema de gestión de potencia, el objetivo es proporcionar la potencia adecuada al resto del sistema eléctrico. Esto suena bastante fácil pero, además de la potencia que proporcionan las cargas, los diseñadores de sistemas deben tener también presente subproductos no deseados, incluyendo el calor. Las consideraciones térmicas pueden llegar a ser primordiales en diseños portátiles donde no son viables ventiladores de refrigeración, grandes disipadores de calor o placas de circuitos impresos con mucho cobre. En estas situaciones, el diseñador debe tener en cuenta un especial para seleccionar la tipología del circuito de gestión de potencia, y debe también considerar las diferentes opciones de empaque de circuitos integrados y sus características térmicas.

Tipología de los circuitos de gestión de potencia

La irrupción en la sociedad de la electrónica portátil ha forzado a los diseñadores a centrarse cada vez más en el diseño de una correcta circuitería para la gestión de potencia. Entre los retos del presente está el extender la vida útil de las baterías mientras se mantiene el rendimiento, sin mencionar la importancia de ajustar los diseños en factores cada vez más pequeños. Estas limitaciones hacen que la gestión térmica sea un componente de diseño crítico.

En equipos portátiles, la conversión dc/dc supone una gran parte de la circuitería de gestión de potencia. Como su propio nombre indica, un convertidor dc/dc convierte la corriente continua a un potencial de voltaje en corriente continua pero a otro potencial de voltaje diferente. Esta es una función crítica en las aplicaciones alimentadas con baterías, donde el voltaje entre los bornes de la batería irá cambiando conforme vaya disminuyendo la capacidad para generar energía. En estos dispositivos puede ser necesario un convertidor DC/DC para transportar el voltaje de la batería a potenciales de voltaje diferentes que se requieran en los circuitos del sistema. La selección de la topología de un convertidor DC/DC puede afectar drásticamente las características térmicas del circuito de gestión de potencia. En general, los diseñadores tienen dos opciones – reguladores de conmutación o lineales.

Los reguladores de conmutación suelen alcanzar niveles de eficiencia más altos, pero su mayor tamaño puede ser un factor limitante en el diseño de circuitos limitados por el tamaño.

Reguladores lineales

Un regulador lineal usa una fuente de corriente de voltaje controlado para crear una salida de voltaje determinada. Esta arquitectura depende del ajuste del elemento resistivo para crear un voltaje de salida determinado. El elemento resistivo disipa energía en forma de calor. Un diseñador de sistemas debe ser consciente debe tener cuidado con el voltaje de entrada y salida y otros requerimientos de voltaje y corriente. Generalmente, los reguladores lineales no son la opción viable para sistemas que requieren grandes caídas de voltaje y grandes corrientes de salida, y el problema surge como consecuencia del auto-calentamiento.

Veamos con más detalle cómo se produce la disipación de energía en un regulador lineal. Es sencillo, la ley de la conservación de la energía dice que la energía ni se crea ni se destruye. Como consecuencia de ello, la energía que entra en un regulador lineal debe salir, ya sea en forma de energía aplicada a la carga o como disipación de calor.

Convección versus conducción

¿Qué parte del calor generado deja el regulador lineal?

Una forma de hacerlo es mediante convección, mecanismo mediante el cual el calor generado en el bloque de silicio y es transferido al aire circundante a través del encapsulado de plástico. Esta transferencia de energía térmica depende de varios factores, incluyendo el tamaño del encapsulado, el tamaño del paquete y las características térmicas del material moldeado. La resistencia térmica desde la unión del encapsulado de silicio al aire circundante es un dato suministrado por el fabricante. Los disipadores térmicos y ventiladores de refrigeración pueden ayudar a disminuirlo.

Otra forma de disipar calor a través del circuito integrado es por conducción. En este caso, el calor se transmite del circuito integrado a la placa. La cantidad de conducción es dependiente, nuevamente, del tipo de encapsulado, si se usa algún film térmico, y también es dependiente de la placa del circuito impreso. El cobre es un gran medio para conducir calor, y cuanto más cobre haya disponible, mejor se disipará el calor.

 

Bbliografía: thermal considerations when designing power-management circuitry. Design news August 2008

Palabras clave: Power-management circuitry, Printed Circuit Boards (PCBs), linear regulator