Efficienza, dissipazione e gestione termica
Ogni circuito di alimentazione trasforma una parte dell’energia in calore. Capire efficienza, potenza dissipata, resistenza termica e temperatura di giunzione permette di scegliere correttamente regolatori, convertitori, dissipatori e PCB evitando surriscaldamenti e guasti.
Che cos’è l’efficienza?
L’efficienza indica quanta parte della potenza assorbita viene realmente trasferita al carico. La parte restante viene dissipata principalmente sotto forma di calore.
Dove finiscono le perdite?
La potenza che non raggiunge il carico viene convertita in calore nei componenti del circuito. Nei regolatori lineari la causa principale è la caduta di tensione sull’elemento serie; negli switching le perdite sono distribuite tra semiconduttori, induttori, trasformatori, condensatori e controllo.
| Componente | Perdite tipiche |
|---|---|
| MOSFET | Conduzione e commutazione |
| Diodo | Caduta diretta × corrente |
| Induttore | Resistenza dell’avvolgimento e perdite del nucleo |
| Condensatore | Perdite ESR |
| Regolatore lineare | Differenza Vin−Vout × corrente |
Dissipazione nei regolatori lineari
In un regolatore lineare la corrente in ingresso è quasi uguale a quella in uscita. La potenza persa può quindi essere stimata in modo molto semplice.
Perdite nei convertitori switching
Uno switching evita gran parte delle perdite tipiche del lineare, ma non è ideale. Un MOSFET acceso presenta una resistenza RDS(on), le commutazioni richiedono energia e diodi e induttori introducono ulteriori perdite.
Le perdite di commutazione aumentano in modo approssimativo con frequenza, tensione, corrente e tempi di salita/discesa del dispositivo.
Resistenza termica: i °C/W
Il percorso del calore può essere trattato in modo simile a un circuito elettrico. La resistenza termica indica di quanti gradi aumenta la temperatura per ogni watt dissipato.
Temperatura di giunzione
La temperatura più importante per un semiconduttore è quella interna della giunzione, indicata con TJ. Una stima semplificata usando la resistenza giunzione-ambiente è:
Come si dimensiona un dissipatore?
Quando un componente usa un dissipatore, il percorso termico comprende tipicamente la resistenza giunzione-case, l’interfaccia termica e la resistenza dissipatore-ambiente.
Da questa relazione possiamo ricavare la massima resistenza termica ammessa del dissipatore:
Il PCB è parte del sistema termico
Nei componenti SMD, una parte importante del calore viene trasferita al rame del circuito stampato. Ampie aree di rame, pad termici, thermal vias e più layer possono ridurre significativamente la temperatura.
Esempio completo: 7805 da 12 V a 5 V
Consideriamo un 7805 con Vin = 12 V, Vout = 5 V e Iout = 0,4 A.
La potenza fornita al carico è 5 × 0,4 = 2 W, mentre la potenza assorbita idealmente è circa 12 × 0,4 = 4,8 W.
Esempio: stesso carico con un Buck all’90%
Supponiamo che il carico richieda sempre 5 V × 0,4 A = 2 W e che un convertitore Buck abbia un’efficienza del 90%.
Derating e margine di progetto
Far lavorare continuamente un componente vicino ai suoi limiti massimi riduce il margine termico e può peggiorare affidabilità e durata. In progettazione si applica spesso un derating, scegliendo componenti con margine rispetto a corrente, tensione e temperatura massime.
Errori comuni
- confondere potenza in uscita e potenza dissipata;
- pensare che una piccola differenza di tensione sia sempre trascurabile;
- ignorare la temperatura ambiente;
- usare θJA senza considerare il PCB reale;
- scegliere un dissipatore solo in base alle dimensioni fisiche;
- dimenticare l’interfaccia termica tra componente e dissipatore;
- considerare il rendimento dello switching costante a qualsiasi carico;
- ignorare picchi di corrente e transienti;
- lavorare vicino al limite assoluto di temperatura;
- non verificare le curve di derating nel datasheet.