Il progetto termico negli alimentatori switching
27.07.2007
Non è nuova la richiesta di alimentatori di dimensioni sempre più contenute; il rovescio della medaglia sta in un sostanziale incremento delle temperature. Il progettista di alimentatori deve quindi adottare speciali misure per unire le ridotte dimensioni e l'alta affidabilità. È necessario porre una particolare attenzione a queste caratteristiche se si vogliono garantire elevate prestazioni, minimo ingombro e lunga durata in servizio.
Sebbene i costruttori di alimentatori possano talvolta essere classificati come i rappresentanti di uno dei settori meno dinamici della tecnologia, un rapido sguardo alla storia mostra la velocità con cui le dimensioni degli apparati si siano ridotte. Dal 1993, un apparecchio monofase da 10 A si è ridotto da circa 160 mm a 60 mm. Lo sviluppo di un trifase a 20 A è anche più impressionante: nel 1997 esso era largo circa 220 mm; ora ne misura circa 65.
Per rassicurare gli utilizzatori sul fatto che questa miniaturizzazione non è andata a scapito della durata in servizio e dell'affidabilità, i costruttori più qualificati di alimentatori per guida Din tendono a specificare nei dati tecnici un parametro di durata minima di servizio dei condensatori elettrolitici, calcolato secondo i dati forniti dal costruttore dei condensatori stessi; con un impiego di materiali di qualità si possono raggiungere oltre le 50,000 ore a +40 °C di temperatura ambiente a pieno carico. La definizione "thermally-oriented design" assicura così che gli apparecchi hanno una durata di servizio aumentata. L'efficienza è il parametro centrale che interferisce sulle ridotte dimensioni e il basso riscaldamento.
Non si può prescindere dal focalizzare la propria attenzione su questo punto se si vuole lanciare una sfida al continuo miglioramento. Ancora di più, la circuitazione standard va superata e sostituita con progetti innovativi, a basse perdite. Oggi è possibile aumentare significativamente l'efficienza dei prodotti anche in presenza della correzione attiva del fattore di potenza (Pfc).
Le più recenti innovazioni pongono molta attenzione sulla costruzione fisica in considerazione anche della scelta dei principi circuitali. Un importante criterio a cui si deve prestare molta attenzione è il numero e la dimensione dei componenti di dissipazione. Un punto problematico nei progetti è costituito dagli Ntc (negative temperature coefficient), termistori che permettono di limitare la corrente di spunto. Questi si riscaldano fino a +170 °C, formando una sorgente che irradia calore a tutti i componenti pregiudicandone l'operatività. Meglio allora sostituirli con semiconduttori, che possono essere raffreddati più facilmente.
In generale è preferibile generare calore in semiconduttori perché, anche in confronto con componenti avvolti, i semiconduttori possono effettivamente essere raffreddati. Come regola, è meglio usare molti piccoli componenti che uno solo grande, perché la resistenza di trasferimento termico è ridotta dalla predisposizione in parallelo. Una simile considerazione è anche applicata ai componenti magnetici. Un singolo trasformatore ha una superficie relativamente piccola in confronto al suo volume; ciò significa che è molto più difficile per esso dissipare il calore verso l'esterno.
Ad essere critica per l'affidabilità è comunque la temperatura interna. L'effetto di raffreddamento, d'altra parte, dipende dalla superficie. Per questa ragione è preferibile un diverso approccio: ad esempio la distribuzione di temperatura in molti piccoli componenti avvolti è tutto sommato più favorevole.
I condensatori elettrolitici sono componenti particolarmente sensibili in un alimentatore switching. Per loro natura costruttiva, essi si seccano col tempo; in altre parole, essi si esauriscono. La loro temperatura operativa quindi gioca un ruolo cruciale: per ogni 10 K d'incremento in temperatura si dimezza il tempo di servizio di un condensatore elettrolitico e quindi dell'alimentatore. Per questo motivo, si debbono adottare solamente quelli con un iniziale lungo servizio e predisporli per il più basso riscaldamento interno ed esterno.
Il problema termico
Uno dei problemi che si riscontrano negli alimentatori è quello, a motivo dell'incidenza delle alte frequenze, che i condensatori elettrolitici devono essere posizionati vicino a componenti caldi.
Si dovrebbe quindi porre molta più importanza al sistema "risonanza", in cui le induttanze delle funzioni di track sono parte del circuito. Ciò permette maggiori distanze dai condensatori elettrolitici. Il progetto risonanza agevola inoltre la soppressione delle interferenze e dove c'è una piccola interferenza non è necessario inserire grandi schermature, che possono al contrario inibire l'evacuazione termica.
Un importante aspetto del progetto di un nuovo alimentatore switching è che i generatori termici dovrebbero essere uniti a un dissipatore con una bassa caduta di temperatura.
Il maggiore dissipatore è l'involucro metallico stesso: esso è "l'interfaccia" per l'aria circostante. Considerazioni sulla distribuzione della temperatura dovrebbero essere tenute in conto, anche in vista di un migliore sfruttamento dell'involucro. La spaziatura tra i componenti va ottimizzata in modo da poter assicurare una miglior ventilazione senza dover aggiungere altro spazio non necessario.
Qualcosa dovrebbe essere detto circa i vantaggi dell'uso di materiali d'alta qualità per creare un apparecchio che funzioni in modo affidabile (lunga durata) anche a pieno carico (stress). L'isolamento elettrico e alle alte frequenze, nel montaggio di semiconduttori, può essere ottenuto tramite particolari accorgimenti costruttivi come l'uso di rondelle di alta qualità in alluminio ossidato. Al contrario di semplici membrane conduttive, esse presentano una più bassa capacità d'accoppiamento e arrivano ad una più bassa resistenza di trasferimento termico. Ciò contribuisce alla lunga durata di servizio.
Mantenere le specifiche di durata dei condensatori elettrolitici nell'intero processo di progettazione non è cosa semplice ma non impossibile: un appropriato studio della stratificazione dei componenti sul circuito stampato e dentro l'involucro, il calcolo e l'analisi delle perdite di potenza possono essere d'aiuto insieme alle simulazioni e sperimentazioni sull'hardware.
Per concludere
È possibile conseguire soddisfacenti risultati in termini di miniaturizzazione e lunga durata in servizio per alimentatori switching. Attraverso la stretta unione e interazione tra sviluppo elettrico e progetto termico, si possono creare dispositivi di dimensioni assai ridotte ma che offrono ugualmente un'elevata efficienza, anche del 90% e oltre.
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