1. TME Proiectare pentru compatibilitate termică
Cursul 3
TME – Curs3
Proiectare pentru compatibilitate termică

2. TME
Cursul 3
Conţinutul cursului
Modelarea sistemelor de răcire în regim tranzitoriu
Aspecte particulare în analiza şi proiectarea sistemelor de răcire

3. TME
Cursul 3
Impedanţe termice
Zth – caracterizează global transferul termic pe durata regimului termic tranzitoriu
Cth - capacitatea termică
th – constantă de timp termică
Variaţia temperaturii pe durata regimului tranzitoriu
(2‑21)
(2‑22)
Legea lui Ohm termică este valabilă numai în regim staţionar. La apariţia unei variaţii a puterii disipate în dispozitiv regimul termic se modifică (nu mai rămâne staţionar). Pe durata regimului tranzitoriu transferul căldurii poate fi modelat prin intermediul unor impedanţe termice (2-21) . Această impedanţă este compusă din rezistenţa termică, definită în regim staţionar, în paralel cu o capacitate termică. Aceasta din urmă, coresponde capacităţii electrice, modelează fenomenele de acumulare, respectiv cedare de căldură, fenomene în care se modifică temperatura materialului. Capacitatea termică (2-22) este dependentă de proprietăţile mediului prin care se transmite căldura: C este căldura specifică a materialului,  - densitatea şi V – volumul.
Variaţia puterii disipate poate fi modelată prin salturi treaptă de putere indiferent de forma pulsului de putere. În cazul în care impulsul de putere are o formă oarecare el se poate echivala cu un impuls dreptunghiular de aceeaşi energie, cu următorii parametri: amplitudinea egală cu valoarea maximă a impulsului real şi durata egală cu raportul dintre energie şi amplitudine. Variaţia în timp a temperaturii din mediul în care apare un salt de putere disipată se poate determina folosind constanta de timp termică (2-23). Această variaţie de temperatură se obţine cu relaţia 2-24, similară celei obţinute pentru încărcarea şi descărcarea unei capacităţi electrice. TF este valoarea finală obţinută pentru temperatură şi T0 este valoarea iniţială a temperaturii.
În general constantele de timp termice au valori mari, de ordinul milisecundelor sau zecilor de milisecunde.
(2‑23)
(2‑24)

4. Circuitul termic echivalent pentru regim tranzitoriu
TME
Cursul 3
Circuitul termic echivalent pentru regim tranzitoriu
Pe durata regimului tranzitoriu circuitul termic echivalent poate fi modelat cu ajutorul impedanţelor termice. Modificarea nivelului de putere în circuit poate fi considerată sub forma unui salt treapta deoarece constantele de timp electrice din circuit sunt în general mult mai mici decât constantele de timp termice.
Se poate acum trage concluzia că la pornirea unui montaj care conţine dispozitive de putere nu există riscul defectării acestora dacă proiectarea pentru regimul staţionar este corect realizată. Până la atingerea acestui regim circuitul termic echivalent pentru sistemul de răcire este cel din figura următoare.
Impedanţa termică se ia în considerare la dimensionarea sistemului de răcire dacă pulsurile de putere apar la intervale foarte mari de timp (peste valoarea constantei termice).

5. Variația impedanței termice pentru un dispozitiv de putere

6. Determinarea experimentală a impedanţelor termice
TME
Cursul 3
Determinarea experimentală a impedanţelor termice
Principiul pentru determinarea ZthJC
Parametrul ZthJC poate fi determinat experimental apelând numai la măsurători electrice conform schemei următoare. Temperatura joncţiunii fiind inaccesibilă unor măsurători directe, se utilizează drept “termometru” un parametru electric măsurabil a cărui variaţie cu temperatura este cunoscută. În mod uzual acest parametru este tensiunea în conducţie pe dispozitiv, tensiune ce prezintă o variaţie liniară cu temperatura (VF=VFT).
Generatorul de curent asigură curentul de conducţie prin dispozitiv pentru două regimuri distincte:
Un prim regim este cel de polarizare directă la un curent IP care nu provoacă încălzirea semnificativă a dispozitivului. În mod uzual IP= mA pentru diode şi IP= mA pentru tiristoare şi triace. Se măsoară o primă valoare a căderii de tensiune pe dispozitiv: VF1.
În regimul de încălzire se asigură trecerea unui curent mare prin dispozitiv (IC= A) care asigură o încălzire semnificativă a joncţiunii. Generatorul de curent trebuie să permită reglarea nivelului şi duratei de aplicare a curentului de încălzire. Se măsoară noua valoare a tensiunii de pe dispozitiv VF2.

7. Determinarea ZthJC (2‑25) (2‑26) (2‑27) (2‑28) (2‑29) TME Cursul 3
Prin definiţie impedanţa termică ZthJC este dată de relaţia Explicităm în continuare numărătorul şi numitorul acestei relaţii.
Variaţia temperaturii la bornele dispozitivului de putere este explicitată în relaţia 2-26 în funcţie de coeficientul de variaţie cu temperatura a tensiunii la borne (parametru de catalog) şi de variaţia tensiunii la bornele dispozitivului (joncţiunii).
Puterea disipată de dispozitivul de putere poate fi aproximată prin relaţia 2-27, în care indicele 2 se referă la situaţia descrisă anterior în care se injectează un curent mare prin dispozitiv.
În consecinţă se obţine relaţia 2-28 ce descrie variaţia în timp a impedanţei termice, mărimile VF, IC şi VF2 putînd fi citite de pe formele de tensiune ce apar pe osciloscop.
La încheierea regimului tranzitoriu se poate determina valoarea rezistenţei termice RthJC în conformitate cu relaţia 2-29.
(2‑28)
(2‑29)

8. Determinarea ZthRA (2‑30) TME Cursul 3
Determinarea impedanţei termice tranzitorii radiator-ambiant ZthRA se realizează prin măsurarea evoluţiei în timp a temperaturii radiatorului (TR) într-un punct specificat în condiţiile în care dispozitivului montat pe radiator i se aplică un impuls treaptă de putere (P). Măsurând şi temperatura mediului ambiant (TA) rezultă expresia impedanţei termice în conformitate cu relaţia 2-30.
La atingerea temperaturii maxime pe radiator se va determina valoarea rezistenţei termice RthRA.

9. Aspecte particulare TME Cursul 3
Sunt prezentate în continuare o serie de observaţii care subliniază particularităţi legate de modul în care se introduc parametrii modelului circuitului de răcire în regim staţionar.

10. Observaţia 1 – puterea medie
TME
Cursul 3
Observaţia 1 – puterea medie
Pentru diode, tiristoare, triace de putere se determină curentul mediu prin dispozitiv şi apoi din caracteristici de catalog puterea medie
În cazul unor dispozitive de putere (diode, tiristoare, triace) nu este posibil să se determine direct, din funcţionarea în circuit, puterea medie disipată. Pentru acestea se determină curentul mediu prin dispozitiv, IFAV, lucru perfect posibil dacă se cunoaşte forma de undă pentru acest curent. În continuare se utilizează familiile de caracteristici Pd(IFAM) date în cataloage. Se selectează caracteristicile corespunzătoare formei curentului prin dispozitiv şi din familie se alege curba de funcţionare pe care ne propunem să plasăm dispozitivul. Cu ajutorul acesteia se citeşte puterea medie disipată, putere care se introduce în relaţia (2-20) pentru dimensionarea radiatorului.

11. Variantă alternativă – caracteristici de temperatură maximă pentru capsulă în funcție de curentul mediu

12. Familii de caracteristici pentru puterea maximă disipată în funcție de curent și de temperatura mediului ambiant (pentru diferite radiatoare)

13. Observaţia 2 – parametrul Ptot pentru tranzistoare
TME
Cursul 3
Observaţia 2 – parametrul Ptot pentru tranzistoare
Exemplu 1: Pentru tranzistorul BD235 în catalog se specifică următorii parametrii: Ptot=25 W; RthJC=5 oC/W; TJ=150 oC. Conform definiţiei prezentate se verifică faptul că:
În cazul tranzistoarelor de putere se specifică în cataloage parametrul Ptot. Această putere este în general mult mai mare decât puterea pe care tranzistorul o poate disipa în mod real în circuit. Semnificaţia acestui parametru este următoarea: el reprezintă puterea pe care ar putea-o disipa tranzistorul dacă:
temperatura joncţiunii ar fi menţinută la valoarea maximă, dată de parametrul de catalogTj
temperatura capsulei ar fi cea a mediului ambiant (care în cataloage este considerată 25 oC).
Prima ipoteză nu poate fi realizată în practică deoarece orice perturbaţie (termică) ar putea aduce dispozitivul la o temperatură mai mare decât cea admisă în funcţionare. A doua ipoteză ar presupune ca la temperatura ambiantă de 25 oC rezistenţa termică capsulă-radiator să fie nulă (montare ideală pe radiator) şi de asemenea existenţa unui radiator ideal (cu suprafaţa infinită). În plus, în general temperaturile ambiante la care trebuie să funcţioneze tranzistorul se impun prin temele de proiectare peste valoarea de 25 oC dată în catalog.
În conformitate cu relaţia 2-31 se observă că în general în realitate tranzistorul va putea disipa o putere mult mai mică. Numărătorul este mai mic: temperatura de funcţionare a joncţiunii se alege sub cea maximă din catalog, iar temperatura ambientului în general poate fi mai mare de 25 oC. Numitorul este mai mare având în vedere că la RthJC se însumează şi RthCR şi RthRA.
(2‑31)
Exemplu 2

14. Caracteristica de degradare a puterii – Derating Power
TME
Cursul 3
Caracteristica de degradare a puterii – Derating Power
O altă modalitate, prin care este descrisă acestă proprietate a dispozitivelor de putere, este cea în care pentru acestea se prezintă o caracteristică de degradare a puterii disipate admise (Derating Power).
În figură este ilustrată o astfel de caractristică pentru un tranzistor care are ca și parametri: PTOT=40 W, TJ=150 oC, respectiv RthJC=3,125 oC/W. Se observă că dacă capsula ajunge să funcționeze la temperatura de 134 oC, atunci puterea maximă pe care o poate disipa tranzistorul este de doar 5 W. Acest lucru înseamnă că sistemul de răcire inrodus înre capsulă și mediul ambiant trebuie să asigure, în condițiile disipării puterii de 5 W, că temperatura capsulei se menține la cel mult 134 oC în condițiile în care temperatura mediului ambiant are valoarea maximă acceptată.

15. Observaţia 3 – utilizarea parametrului RthJA
TME
Cursul 3
Observaţia 3 – utilizarea parametrului RthJA
Pentru unele dispozitive de putere capsula asigură o răcire corespunzătoare în majoritatea situaţiilor de funcţionare.
(2‑32)
În unele situaţii în cataloage este dat pentru dispozitivul de putere parametrul RthJA. În aceste situaţii capsula dispozitivului prin forma, dimensiunile şi materialul din care este realizată asigură o bună evacuare a căldurii în mediul ambiant. Se impune de această dată să se verifice în primul rând dacă nu se poate asigura răcirea dispozitivului numai prin intermediul capsulei. Se determină temperatura joncţiunii cu relaţia 2-32.
Dacă TJmax obţinută prin calcul depăşeşte valoarea maximă admisă, parametrul de catalogTJ, atunci se impune utilizarea unui radiator.
Problema 3

16. Observaţia 4 – realizabilitatea radiatoarelor
TME
Cursul 3
Observaţia 4 – realizabilitatea radiatoarelor
Exemplu: Elementul serie dintr-un stabilizator liniar trebuie să disipe puterea Pd=50 W. Avem la dispoziţie tranzistoare 2N3055 cu parametrii: TJ=200 oC şi RthJC=1,5 oC/W. Dacă se asigură un montaj cu RthCR=1,5 oC/W şi ne propunem o funcţionare la TJmax=150 oC cu temperatura maximă a ambiantului TAmax=50 oC, rezultă:
După divizarea puterii pe două tranzistoare rezultă:
Conform relaţiei 2-20 cu care se dimensionează rezistenţa termică radiator-ambiant se observă că din punct de vedere matematic pentru aceasta se pot obţine în urma calculelor valori negative. Acest tip de rezultat indică faptul că sistemul de răcire nu este realizabil. În aceste situaţii proiectarea trebuie reluată prin alegerea altui dispozitiv care acceptă o temperatura TJ mai mare şi are o RthJC mai mică. Dacă dispozitivele disponibile nu respectă nici unul condiţia de realizabilitate, atunci se impune divizarea puterii disipate fie prin înserierea a două dispozitive, fie prin conectarea lor în paralel. Soluţia se alege în funcţie de mărimea electrică din circuit care se găseşte mai aproape de valoarea maximă admisă: curentul prin dispozitiv (conectare în paralel) sau căderea de tensiune pe acesta (conectare în serie).
În exemplul prezentat, prin divizarea puterii pe două tranzistoare, rezultă un radiator realizabil (relaţia 2-34) şi tranzistoarele vor funcţiona la un regim termic nesolicitant chiar şi atunci când temperatura ambiantului este cea maximă admisă.
(2‑33)
(2‑34)

17. Observaţia 5 – componente de mică putere
TME
Cursul 3
Observaţia 5 – componente de mică putere
Exemplu: Fie o diodă zener 1N5240B cu parametrii VZ=10(15) V, IZmax=50mA, TJ=200 C, rezistenţa termică joncţiune-ambiant RthJA=175 C/W (terminale lungi de 1cm) şi temperatura maximă a mediului ambiant este TAmax =50 C. Puterea disipată de diodă în situaţia cea mai defavorabilă este:
Temperatura joncţiunii va ajunge în situaţia cea mai defavorabilă la valoarea:
În cazul unor dispozitive de putere mai mică un rol important în disiparea puterii îl pot juca terminalele lor dacă prin montare acestea sunt expuse aerului de răcire. Cu cât acestea sunt mai lungi cu atât ele disipă o putere mai mare la aceeaşi temperatură a joncţiunii. Rezistenţa termică pentru aceste terminale se poate găsi în domeniul 30C/W -40C/W.
Deci, în acest caz terminalele vor asigura o răcire suficientă pentru ca joncţiunea diodei să nu ajungă la temperatura maximă admisă nici în situaţia cea mai defavorabilă de funcţionare.
(2‑35)
(2‑36)

18. Observaţia 6 – regimul termic pentru circuite digitale
TME
Cursul 3
Observaţia 6 – regimul termic pentru circuite digitale
Este determinat de trei aspecte:
Puterea disipată
Putere statică
Putere dinamică
Proprietăţile termice ale capsulei
Modul în care este montată capsula în circuit
Dimensiunile geometrice ale traseelor
Poziţia plachetei
Natura incintei
Existenţa altor surse de încălzire
În cazul circuitelor digitale controlul regimului termic de funcţionare se bazează pe evaluarea puterii disipate în circuit şi pe proprietăţile termice (rezistenţe termice) ale capsulei utizate şi a modului în care aceste capsule sunt amplasate pe plachetele electronice.
În determinarea puterii disipate se ia în considerare atât curentul static absorbit de la sursa de alimentare cât şi cel dinamic. Circuitele integrate digitale bipolare şi BiCMOS au nivele variabile ale curentului static care depind de starea ieşirilor (ICCL, ICCH sau ICCZ), iar circuitele CMOS au o singură valoare pentru ICC. În cazul circuitelor CMOS şi BiCMOS, comandate de ieşiri TTL, se înregistrează un consum adiţional de curent datorită faptului că tensiunea aplicată nu are întotdeauna valorile necesare pentru o blocare fermă a tranzistoarelor. Toate aceste valori ale curenţilor pot fi extrase din foile de catalog ale circuitelor din diferite familii logice.
Există două componente ale puterii disipate de un circuit digital: puterea statică şi puterea dinamică. Disiparea de putere dinamică este influenţată de frecvenţa la care comută circuitele. Ea poate fi influenţată şi de valoarea capacităţilor echivalente ce sunt conectate la ieşirile circuitului, aceste capacităţi necesitând curenţi suplimentari de încărcare/descărcare în procesul trecerii dintr-o stare logică în alta. În multe situaţii valoarea puterii dinamice este superioară puterii statice disipate şi ea limitează în felul acesta superior frecvenţa la care poate fi utilizat un circuit.

19. Calculul puterii pentru circuite CMOS
TME
Cursul 3
Calculul puterii pentru circuite CMOS
Puterea statică
Puterea tranzitorie
Puterea datorată caracterului capacitiv al sarcinii
Puterea dinamică
(2‑37)
(2‑38)
(2‑39)
În cazul circuitelor CMOS puterea statică disipată se calculează folosind relaţia Dacă intrările circuitului CMOS sunt comandate de ieşiri TTL, atunci apare un consum suplimentar de putere în regim static, formula de calcul fiind 2-38.
Consumul de putere dinamică (PD) pentru un dcircuit CMOS se calculează prin însumarea consumului de putere tranzitorie (PT) şi celui datorat caracterului capacitiv al sarcinii (PL). Puterea tranzitorie disipată are loc în momentul în care ieşirile unui circuit comută dintr-o stare logică în alta, relaţia Cpd este capacitatea parazită a dispozitivelor CMOS şi este o mărime de catalog. Puterea disipată datorită caracterului capacitiv al sarcinii apare suplimentar în cazul în care sarcina are un caracter capacitiv fiind dată de relaţia Consumul de putere dinamică este suma celor două componente. Ea se exprimă prin relaţia 2-41 în situaţia în care avem mai multe ieşiri care comută cu frecvenţe diferite şi care au încărcări capacitive diferite.
Se poate constata că puterea dinamică disipată este dependentă de frecvenţa de comutare şi de pătratul tensiunii de alimentare. Ea poate avea valori semnificative.
(2‑40)
(2‑41)

20. Calculul puterii pentru circuite bipolare
TME
Cursul 3
Calculul puterii pentru circuite bipolare
Puterea cvasistatică
Puterea datorată caracterului capacitiv al sarcinii
(2‑42)
(2‑43)
(2‑44)
În cazul circuitelor digitale bipolare se poate determina puterea disipată în conformitate cu speificţiile standardului IPC-D-317A. Astfel aceasta are două componente semnificative:
Prima este datorată funcţionării cvasistatice (relaţia 2-42), funcţionare în care se ia în considerare un curent mediu absorbit de la sursa de alimentare dat de ponderarea curenţilor absorbiţi în starea L şi în starea H. Statistic se poate considera că cele două stări sunt prezente la ieşiri în proporţie de 50%, dar se practică un coeficient de siguranţă de 10%. În consecinţă relaţia 2-43 oferă valoarea pentru curentul mediu absorbit în regim cvasistatic.
A doua componentă este datorată încărcării capacitive, CL, ce se manifestă pe durata tranziţiilor între cele două stări.Pentru curentul absorbit de la sursa de alimentare pe acesată durată, TLH, se consideră o formă triunghiulară, rezultînd pentru acesta valoarea medie dată de relaţia Luând în considerare cazul cel mai defavorabil, în care comută simultan toate cele N ieşiri ale circuitului, se obţine pentru această componentă a puterii expresia dată de relaţia 2-45.
(2‑45)

21. Comportarea termică a capsulelor
TME
Cursul 3
Comportarea termică a capsulelor
Tipul de capsulă
16 pini
Dimensiune capsulă
[mils]
Dimensiune chip
RthJA [0C/W]
pt. un crt. de aer de:
[lfm]
RthJC
[0C/W]
150
250
500
SOIC (D)
90X90
44X65
112,6
91,2
83,9
74,8 42
SSOP (DB)
83X91
51X61
130,8
105,9
97,3
86,5 47
SOP (NS)
87X142
76X86
111,3
89,3
81,4
71,5 95
TSSOP (PW)
104X104
56X76
148,9
127,9
117,6
103,9 35
TVSOP (DGV)
75X75
65X65
179,6
153,2
141,7
126,3
66,7
În tabelul următor sunt prezentate câteva valori ale rezistenţelor termice obţinute în condiţii diferite de funcţionare (convecţie naturală şi convecţie forţată). Rezistenţele RthJA au fost determinate plasând capsulele pe plăci de test standardizate. Se poate constata că RthJA este tot timpul mai mare decât RthJC.

22. Comportarea termică a capsulelor