#5 Regole d’oro nella progettazione PCB per applicazioni di potenza

Quando si sbroglia una scheda elettronica non è sempre la stessa storia. Infatti, oltre a saper utilizzare le suite di design, il progettista di PCB deve avere necessariamente dimestichezza con l’ambiente in cui sta lavorando. Questo perché se ci accingiamo a progettare schede per segnali ad elevata velocità attueremo tecniche ben diverse da se si trattasse di una scheda per la potenza. In realtà, il bravo progettista deve conoscere le tecniche e metodologie di base per le differenti situazioni in quanto, sempre più spesso, sulla stessa scheda troveremo sezioni di differente tipologia. In questo articolo andremo ad affrontare alcune linee guida per la progettazione di circuiti di potenza.

Introduzione

La progettazione dei circuiti elettronici di potenza richiede particolare attenzione in quanto la distribuzione delle correnti tra i vari componenti utilizzati comporta necessariamente dover adottare delle tecniche per garantire la robustezza e l'affidabilità del circuito stampato che si sta progettando. Le regole per la buona progettazione tra leggi empiriche, tratte dalla fisica o semplicemente dal buon senso, sono innumerevoli. In questo articolo andremo ad approfondire 5 regole che ritengo tra le basi per buona progettazione di un PCB per applicazioni di potenza. Queste sono sintetizzate in:

Separazione dei circuiti in funzione della potenza
Scelta del materiale di base
Dimensionamento delle piste
Analisi delle cadute di tensione resistive
Principi sulla gestione termica

1. Separazione dei circuiti in funzione della potenza

La prima regola fondamentale riguarda la separazione dei circuiti in funzione della potenza, ossia dell'applicazione. Questa è una buona regola poiché in primis bisogna considerare che eventuali guasti di funzionamento nelle schede dedicate ad applicazioni di potenza si possono trasformare molto velocemente in situazioni pericolose sia per i dispositivi che per le persone vicino alla scheda guasta. Dunque, la progettazione delle schede di potenza presenta degli aspetti critici maggiori rispetto a ciò che succede con le altre schede elettroniche. Come già detto, in linea di principio è fondamentale individuare e separare le sezioni di circuito in alta e bassa potenza ottenendo di fatto veri e propri circuiti indipendenti. Tuttavia, sappiamo bene che questa soluzione non sempre è possibile e spesso avremo circuiti ibridi in cui coesistono entrambe le sezioni. Infatti, basta prendere in considerazione che quando lavoriamo con componenti ad alta potenza ci saranno sempre dei circuiti di pilotaggio in bassa potenza. Anche in questo semplice caso di schede ibride, la corretta separazione tra i circuiti (in termini di distanze di isolamento a bordo scheda) ci consentirà di poter evitare che i componenti legati alle sezioni di circuito in alta potenza condizionino fortemente l'ambiente circostante ai circuiti di pilotaggio che sono in bassa potenza. Ad esempio, può succedere che tra le due sezioni si creino accoppiamenti (induttivi o capacitivi a seconda delle tipologie di circuito) che possono portare a un malfunzionamento delle logiche di controllo oppure a conseguenze più gravi per la sicurezza. La soluzione ottima, come già detto, sarebbe la progettazione di circuiti PCB separati per l’alta e la bassa potenza. Tuttavia, questo non è sempre fattibile (dimensioni del prodotto oppure costo) e dunque è necessario adottare le giuste tecniche per mantenere “distanti” le sezioni ad alta potenza da quelle a bassa potenza. Si parla dunque dell'analisi delle distanze di isolamento e il loro rispetto per mantenere le sezioni di circuiti indipendenti funzionalmente.

2. Scelta del materiale di base

Tra le considerazioni da fare in ambito della progettazione di circuiti per l'alta potenza troviamo anche la scelta del materiale utilizzato per la realizzazione del proprio PCB. Infatti, per la corretta gestione della dissipazione di calore le proprietà fisiche del PCB ricoprono un ruolo fondamentale. In linea generale, per le schede elettroniche come ben sappiamo si utilizza il materiale FR-4 con uno spessore standard totale del circuito stampato di 1,6mm. Il materiale FR-4 (dove FR è l’acronimo di Flame Retardant) è un composto di resina e fibra di vetro definito dalla normativa NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Questo materiale è la soluzione ottima per costo e caratteristiche per la stragrande maggioranza dei circuiti stampati ed infatti è anche il più conosciuto e diffuso. Tuttavia, quando si tratta di PCB dedicata all’alta potenza questa può non essere più una soluzione felice.

Per comprendere meglio la tematica, di seguito andiamo a sintetizzare quali sono le caratteristiche principali che caratterizzano il materiale di base:

Proprietà meccaniche: in applicazioni di potenza, generalmente, i componenti presentano dimensioni e pesi superiori ai normali componenti per l’elettronica di segnale. Questo vuol dire che il circuito stampato deve poter gestire sollecitazioni maggiori a seguito di vibrazioni. Dunque, le proprietà meccaniche del circuito stampato ricoprono un ruolo fondamentale. Questo si traduce nella scelta di spessori del PCB maggiori oppure in supporti meccanici differenti come i PCB in alluminio o altri materiali differenti da FR4.
Conducibilità termica: le caratteristiche termiche dei materiali (ovviamente in termini di conducibilità espressa in W/m/K) sono fondamentali quando si parla di applicazioni di potenza. Infatti, il PCB avrà il compito di favorire lo smaltimento di calore generato dai componenti e come vedremo dalle piste stesse. I valori di conducibilità termica per i materiali più diffusi sono:
- Il materiale FR-4 presenta una conducibilità termica pari a 0,20W/m/K.
- Il materiale Rogers (sia il 4003c che il RO4350B) presenta una conducibilità termica media pari a 0,7W/m/K
- Il materiale Alluminio presenta una conducibilità termica compresa tra 1 e 2 W/m/K (il valore effettivo dipende dalla tipologia di lega di alluminio utilizzata e dunque può essere selezionato in fase di configurazione del PCB)
Coefficiente di espansione termica (CTE): ci indica le caratteristiche di espansione e contrazione del materiale in funzione della temperatura. Questo valore risulta molto importante nel confronto tra PCB in tecnologie diverse che devono essere integrati (interconnessi) tra di loro. Se i valori di CTE sono molto diversi tra loro potremmo avere un eccessivo stress meccanico tra le parti.
Indice di tracciamento comparativo (CTI): è un indice che ci indica la capacità di tenuta del materiale alle scariche superficiali. Questo indice è molto importante non tanto per i circuiti ad elevata potenza ma per i circuiti che presentano elevate tensioni (indipendentemente dalle correnti in gioco).

A seconda del progetto, delle caratteristiche dei componenti e dei circuiti sarà dunque necessario affrontare la scelta del materiale e dello spessore adatto alle esigenze.

3. Dimensionamento delle piste

In linea di principio, qualsiasi conduttore in cui fluisce la corrente presenta una determinata resistenza che genera una potenza dissipata (P=R*I^2) al fluire della corrente stessa. Dunque, bisogna tenere sotto controllo il valore di resistenza delle piste su circuito stampato che sappiamo dipendere da 4 fattori: materiale e spessore del laminato conduttivo, larghezza della pista e lunghezza della stessa. Andiamo dunque ad analizzare questi fattori e come gestirli. Per il materiale del laminato conduttivo, in genere, questo è sempre rame nella quasi totalità delle applicazioni favorito dall'ottimo rapporto qualità/prezzo e dunque lo consideriamo una costante. Lo spessore del laminato gioca un ruolo fondamentale in quanto, insieme alla larghezza della pista, determina la sezione del conduttore da cui la resistenza. Inoltre, lo spessore del rame e la conduttività termica del materiale determineranno alcuni aspetti importanti della gestione termica, in particolare la temperatura di equilibrio della scheda una volta che il regolatore di potenza e altri componenti raggiungono lo stato stazionario. In generale, per i PCB si utilizza uno spessore standard del laminato di rame di 35 um per i layer interni che è l’ottimo per i circuiti a bassa potenza. Invece, per circuiti ad alta potenza si ricorre sempre più spesso a lamine di rame spesse 70 um. Tra i valori standardizzati di lamine di rame troviamo anche 105um che si usa per casi specifici. Per quanto riguarda gli strati interni invece in linea generale lo spessore è di circa 17,5 um. Il rame più spesso ha inevitabilmente un costo aggiuntivo, ma può aiutare a risparmiare spazio sulle schede poiché consente di realizzare piste con larghezze inferiori. Vale una regola generale per cui le piste ad elevate correnti devono essere sempre realizzate il più corte possibili in modo tale da mantenere contenuto il valore di resistenza, tuttavia, l'applicazione di questa buona regola dipende sempre dalla complessità del progetto. In linea di principio, più lunga è la pista, maggiore è la sua resistenza e dunque la quantità di calore da dissipare. Poiché l'obiettivo è ridurre al minimo le perdite di potenza, al fine di garantire un'elevata affidabilità e durata del circuito, la raccomandazione è di mantenere le tracce che conducono correnti elevate il più brevi possibile. Inoltre, il valore di resistenza dipende anche dalla larghezza della traccia che in genere viene dimensionata in funzione della massima corrente che può attraversarla. Lo standard IPC-2221 fornisce le indicazioni per il calcolo delle larghezze delle piste.

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