Introducción Especificaciones y consideraciones de diseño

Introducción
Durante el diseño de cualquier circuito, uno de los puntos más importantes es decidir
cual será la tensión de alimentación del mismo. En muchos casos, el circuito se
alimentará desde una fuente conmutada a 5V y en estos casos no será necesario añadir
ningún tipo de regulación a la fuente siempre y cuando todos los componentes utilizados
puedan trabajar a esos voltajes.
¿Pero qué sucede si nuestra fuente de alimentación externa es de 12V (por ejemplo) no
regulada y nuestro circuito sólo puede trabajar en un rango entre los (3.3V los 5.5V
regulados)?
En estos casos necesitamos de algún mecanismo para bajar la tensión de 12V a unos
rangos tolerables por nuestra electrónica y conseguir regular la tensión. Para este tipo de
aplicaciones, existen muchas alternativas desde los reguladores lineales hasta los
conmutados.
En esta pequeña nota, nos vamos a centrar en los reguladores de tensión y las
consideraciones que hay que tener en cuenta a la hora de introducirlos en nuestro diseño.
Una de las consideraciones más importantes, y muchas veces obviada, el la disipación de
calor. Estos dispositivos consiguen reducir la tensión en exceso en forma de calor. Por lo
tanto, si la diferencia de tensión (Vi - tensión de entrada y Vo - tensión de salida) es muy
grande y la corriente que va a suministrar es muy alta, no son una solución muy eficiente
ya que la mayor parte de la potencia la vamos a disipar en forma de calor.
Para comenzar con nuestro ejemplo, vamos a poner unas especificaciones sobre el rango
de trabajo de nuestro diseño y vamos a analizar que haría falta para poder trabajar con un
regulador lineal.
Especificaciones y consideraciones de diseño
En primer lugar tenemos que fijar unos parámetros de trabajo de nuestro diseño. Hemos
especificado que nos gustaría que la placa trabaje en un rango de 6V a 12V y por diseño
hemos decidido que el circuito no va a consumir más de 200mA.
Especificaciones eléctricas:
Rangos de funcionamiento con una fuente externa:
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Tensión de entrada: 6V a 12V
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Corriente máxima: 200mA
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Tensión regulada de salida: 5V
Parámetros de diseño con una fuente externa:
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Tensión de entrada: 6V a 12V
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Corriente máxima: 300mA
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Potencia máxima disipada: 2,1W
Vamos
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a ver si el LD1117 en formato SOT-223 cumple con las especificaciones:
Vin (max): 15V
Iout (typ): 950mA
Vout (en todo el rango): entre (4,9V, 5,1V)
Dropout voltage, diferencia de tensión entre entrada y salida: 1.15V
Vemos que este componente puede ser perfecto para nuestro propósito en un formato
muy reducido.
Ahora veamos que pasa con la temperatura y cómo se puede disipar.
Consideraciones de Diseño Térmico
Disipación de potencia y especificaciones
Si vamos al peor de los casos la potencia que vamos a disipar en el regulador es la
siguiente:
Preg = ( Vmax - 5V) * Imax -> Preg = (12V - 5V ) * 0.2A = 1,4 W
Deberíamos ser capaces de disipar, como mínimo 1,4W de calor sin que la temperatura
interna del regulador supere los 125ºC como especifica el datasheet: TO - Operating
junction temperature range: 125ºC.
Ahora, vamos a añadir un margen de seguridad operativo (parámetros de diseño) para
que podamos trabajar hasta 300mA, por lo tanto si vamos a la ecuación anterior vemos
que vamos a tener que disipar: 2,1W.
2,1W no parece gran cosa, pero si todo ese calor lo tenemos que disipar en un espacio
reducido (como es el caso de nuestro regulador), las cosas se ponen interesantes y el
regulador comienza a calentarse.
Medidas y Resultados
Tras una serie de pruebas con un consumo de 300mA, hemos medido que la lengüeta
del regulador alcanza los 125ºC y la del encapsulado los 111ºC. No está nada mal. ¿A qué
temperatura estará el interior?
Diseño Térmico
Nociones básicas
Vamos a modelar cómo quedaría nuestro diseño:
La resistencia térmica se especifica en grados por vatio (ºC/W) y los cálculos que se
hacen funcionan de la misma forma que la ley de ohm.
Rjc - Resistencia térmica entre la unión y el encapsulado del integrado
Rcs - Resistencia térmica entre el encapsulado y el disipador
Rsa - Resistencia térmica entre el disipador y el ambiente
Rja - Resistencia térmica entre la unión y el ambiente. Lo que nos interesa conocer, la
resistencia térmica total entre el dado de silicio y el ambiente!
Como no tenemos previsto poner un disipador, vamos a definir que:
Rja = Rjc + Rca
Donde Rca es la Resistencia Térmica entre el encapsulado y el ambiente.
Nos vamos al datasheet para buscar esta información:
Rjc (SOT-223): 15ºC/W
Rja: no viene y es lo que tendríamos que usar.
Rca: no está y nos sería muy útil.
Pero, podemos calcular la temperatura a la que se encuentra el integrado y ver si
cumplimos con las especificaciones del fabricante (125ºC) usando la siguiente ecuación:
Tj = Tjc + Pd * Rjc
Por lo tanto, lo que sabemos es que Rjc es 15ºC/W, e.d. que si estamos midiendo 125ºC
en la pata del disipador y estamos consumiendo 1.4W, la temperatura de la unión es:
Tj = 125ºC + 1,4 * Rjc = 125ºC + 21ºC = 146ºC
Un valor muy superior al que recomienda el fabricante.
¿Cómo podemos resolver este problema?
Simplemente evacuando calor fuera del propio regulador:
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•
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Podríamos pensar en poner un disipador de calor, pero estos son relativamente
"caros" para nuestro propósito.
Disipar calor usando el propio PCB.
Cambiar el formato del regulador a un paquete que disipe más, e.d. con una
resistencia térmica menor (DPAK).
Vamos a ver que tal salen las cuentas, disipando calor en el PCB, que a priori debería ser
el más económico. Recordemos que el LD1117 tiene una lengüeta en el pin 4, que está
conectada al dado de silicio:
¿Dónde podemos encontrar este tipo de información?
Normalmente, los fabricantes publican los ensayos que han hecho con cada uno de los
encapsulados que utilizan. En muchas ocasiones, especifican Rja. Por lo tanto vamos a
usar esta información.
Lo que nos interesa es saber cual es la potencia máxima que vamos a poder disipar sin
poner en riesgo el disipador. Por lo tanto:
PDmax = (Tjmax - Ta) / Rja
Tjmax (temperatura máxima unión): 125ºC
Ta (temperatura ambiente): usaremos 25ºC
Rja (Resistencia térmica entre la unión y el ambiente.
Vamos a ir sustituyendo términos:
PDmax = (125 - 25 ) / ( Rjc + Rca) = ( 100 ) / ( 15 + Rca )
Pero seguimos sin conocer Rca, ¡el fabricante del LD1117 no lo especifica en la hoja de
características del componente!
Seguimos sin conocer cual es la resistencia térmica entre el ambiente y el encapsulado.
¿De dónde podemos sacar esta información ya que para este componente no lo tiene
publicado el fabricante?
Afortunadamente, los fabricantes de semiconductores ya han hecho estos cálculos de
forma experimental y proporcionan curvas que nos dan precisamente la información que
necesitamos (Rja).
En la gráfica superior podemos ver cual es la resistencia térmica de un encapsulado
SOT223 en función de la superficie de cobre del PCB que se utilice como disipador. En
concreto la gráfica muestra tres curvas: superficie de disipación en la misma cara que va
montado el componente (top), en ambas capas (sin conexión directa entre ambas) y en la
capa inferior (botton).
Como podemos ver, el mejor rendimiento se obtiene cuando el cobre (disipador) está en
la capa superior en contacto directo con la lengueta del pin 4 del SOT223.
Vamos a calcular cual sería la superficie que necesitamos para disipar 2.1W. Usando:
PDmax = (Tjmax - Ta) / Rja
Nos quedaría:
Rja = 100 / 2.1W
Rja = 47,62 (Resistencia térmica objetivo para conseguir
disipar 2.1W)
Vemos en la gráfica que estaríamos en una franja entre 0.5in2 y 0.7in2 - que manía de
usar unidades raras -. Esto sería en unidades normales: 3,2cm2 y 4,5cm2.
Los fabricantes también simplifican las cosas, dando información sobre disipación
máxima en función de la superficie que se usa como disipador en el PCB:
La gráfica superior nos simplifica mucho la vida, podemos ver como para disipar 2.5W
tendremos que usar una superficie en el PCB similar a la calculada anteriormente
(3,2cm2 y 4,5cm2).
Bien, pues ya tenemos nuestros disipador calculado. Para mejorar su rendimiento, lo que
vamos a hacer en nuestro diseño es usar ambas capas del PCB para disipar calor,
conectando cada una de ellas con “vias térmicas”.
Una nota a tener en cuenta, es la cantidad de calor que es capaz de disipar el propio
componente, vemos como a partir de los 3W, por mucha superficie que pongamos no es
suficiente como para mantener al componente en su zona de trabajo (125ºC).
Solución y disipación por ambas capa del PCB
En este caso podemos ver en el rendering 3D como hemos creado un disipador en la
capa superior de aproximadamente unos 1,5cm2 y en la capa inferior de
aproximadamente 2cm2. Esto nos daría una superficie total de unos 3,5cm2. Usando
estas cifras, podemos ver cómo vamos a ser capaces de usar este encapsulado para
disipar algo más de 2W.
Capa superior con vías térmicas.
Conexión de la capa inferior con vías térmicas.
Estos cálculos son aproximados pero muy próximos a la realidad. Para que el cálculo
fuese más fino, habría que tener en cuenta las cabeceras que van montadas en el diseño
y cómo estos también actúan como radiadores para disipar más calor.
Conclusiones
Con este ejemplo hemos visto lo importante que es tener en cuenta en cualquier diseño
las consideraciones térmicas.
Hemos visto, cómo un regulador lineal puede no ser la mejor opción para regular la
tensión y cómo hemos conseguido que un regulador que al cabo de un tiempo si
hubiésemos mantenido el consumo habría fallado.
Unos simples cálculos un cambio en el PCB hacen viable este regulador y esta solución.