Calentamiento de PCB en ambientes fríos usando solo componentes SMD

Hice una placa de sensor que necesita funcionar a unos -55 grados centígrados. Desafortunadamente, su componente clave a menudo funciona mal cuando el circuito se enfría durante días a la temperatura y luego se enciende. El sensor comienza a funcionar normalmente después de funcionar (incorrectamente) durante varios minutos desde el momento del encendido. Por lo tanto, quiero calentar la placa y luego encender el sensor.

Hay condiciones ambientales que hacen que sea muy difícil usar una solución simple. No se puede usar un calentador externo, porque no tengo más espacio que el espacio para la placa de circuito impreso (3 cm x 3 cm x 5 mm). Parece que el único enfoque factible es calentar la placa agregando varios componentes SMD al circuito de PCB, por ejemplo, un regulador de voltaje lineal y resistencias. El máximo. la fuente de alimentación está limitada a 0,5 W, pero el IC del sensor ya consume hasta 0,3 W. Por lo tanto, el sensor y el calentador no pueden funcionar al mismo tiempo. Es posible que primero tenga que calentar la PCB y encender el sensor. El tiempo permitido para el calentamiento es de hasta 30 s.

¿Podría sugerir soluciones eficientes al problema? Me pregunto si hay una mejor solución que colocar un regulador lineal con un disipador de calor y 2 a 4 resistencias de tamaño 0603(1608) alrededor del sensor IC. Por cierto, la placa tiene 4 capas (superior/alimentación/GND/inferior) y el contenido de cobre es de 1 oz.

¿Cómo se alimenta la unidad? ¿Puedes dibujar 0.5W continuamente? si es así, ¿por qué no tener algunas resistencias de calentamiento que estén alimentadas hasta que llegue el momento de usar su sensor?
Hice esto para un receptor de datos FM que se encontraba en una pista de aterrizaje fría en Canadá durante las pruebas en tierra.
@dmb Sí, puedo suministrar 0,5 W de forma continua. ¿Son las "resistencias de calentamiento" las resistencias SMD comunes?
@Andyaka Eso es increíble. ¿Podría compartir su experiencia y comentar sobre qué se debe tener cuidado?
No hay mucho que decir aparte de usar toda la potencia que pueda y dejar de calentar la PCB si está por encima (digamos) -20 grados centígrados (o cualquier límite bajo que decida).
@Nownuri No hay resistencias de calentamiento especiales, solo SMD normales. A menos que sea una placa de circuito impreso con núcleo de aluminio, utilice varias pequeñas y distribuya el calor donde sea necesario, preferiblemente a través de una conexión a tierra y/o un plano de suministro en la placa de circuito impreso.
@Andyaka ¡Gracias!
@winny ¡Gracias por el comentario! Eso es exactamente lo que estaba planeando hacer. Me alegro de que no genere preocupaciones.
¿Puedes sacrificar una capa por una resistencia de rastreo de PCB?
@ Jeroen3 Desafortunadamente no, podría agregar capas si eso no aumenta mucho el costo.
Para minimizar el tiempo de calentamiento, intente reducir la cantidad de área de cobre del circuito, especialmente el exceso de cobre en contacto con el cuerpo del sensor o las clavijas. Mantenga los componentes de calentamiento cerca o en contacto con el sensor o sus pines si es posible. Minimice el espacio al aire libre y cualquier posible flujo de aire alrededor del sensor y los componentes de calefacción.
Entonces, la placa de prueba falla en frío, pero desea probar el sensor en frío. hmm arreglar el diseño? ¿Error de voltaje compensado? Mmm . agregar un interruptor de retardo al calentador del sensor? y agregue calentadores SMD de 100 mW en tiras de FPC para calentar los circuitos integrados, luego el medio puente apague el calentador y encienda el sensor
Tenga en cuenta que el calentamiento constante puede aumentar el costo del enfriamiento (supongo que el sensor funciona en un ambiente enfriado artificialmente). Si la fuente de calor adicional no es un problema, vaya con la solución presentada. De lo contrario, es posible que desee encender los elementos calefactores solo cuando se necesita el sensor.
Considere buscar en los archivos de Nasa Tech Briefs sistemas basados ​​en el espacio que utilicen sensores similares. Si han usado sensores similares, es probable que tengan una solución sobre cómo usarlos a temperaturas ultrabajas.
Considere también las características de expansión térmica ( 1.4 ⋅ 10 − 5 k − 1 ) de estos ciclos de calentamiento y cómo estresará los componentes de montaje superficial.
No parece que el sobrecalentamiento vaya a ser un problema aquí. ¿Por qué no simplemente poner resistencias de potencia de 0,2 W que siempre se están quemando y ver si eso resuelve su problema? si eso no es suficiente calor, puede agregar más que solo se encienden cuando la energía adicional está disponible. Pero más simple siempre es mejor en mi opinión...
La constante de tiempo térmico de PCB de 1 cm^2 con lámina de cobre será de 9600 segundos/100*100 o 0,96 segundos. Para una placa de 2 cm x 2 cm, ese Tau será 4 veces más lento a los 4 segundos, para un calentamiento del 63 %. El cobre será tu amigo para mover el calor.

Respuestas (3)

Está tratando de calentar el sensor, no la PCB. Así que vamos a calentar el sensor.

Sin conocer la huella del sensor, es difícil dar algo más que una respuesta general, por lo que deberá adaptarlo a su situación específica. Pero, la esencia es esta:

  1. Use una sola resistencia de 0,5 W, dimensionada para dibujar quizás 400 mW-450 mW. No utilice una clasificación de potencia más grande, desea que la resistencia tenga una clasificación de un poco más de la potencia que planea disipar a través de ella. Esto se debe a que la transferencia de calor depende de la diferencia de temperatura, por lo que desea que la resistencia se caliente más en lugar de enfriarse, incluso si la potencia es la misma.

  2. Coloque la resistencia de modo que quede montada directamente debajo del sensor, pero en el lado opuesto de la PCB. Y lo más importante, ambas almohadillas de la resistencia tienen un tamaño ligeramente mayor y tienen tantas vías como pueda caber en ellas.

  3. Ahora viene una elección: almohadillas térmicas o inyección directa de calor. Esto realmente depende del tamaño, la forma, la huella y la naturaleza del sensor. Si tiene una almohadilla grande conectada a tierra o alguna otra conexión de sustrato obvia, entonces la inyección directa de calor es probablemente su mejor opción. Haga solo una almohadilla de la resistencia de calentamiento sobredimensionada, y solo esa almohadilla tiene vías. Esas vías se conectan directamente a la plataforma de sustrato del sensor (o lo que sea). Aísle térmicamente la otra almohadilla de la resistencia usando solo una traza de cobre muy pequeña (pero no tan pequeña como para que no pueda manejar la corriente). Ahora tenemos una interfaz muy directa entre la resistencia y el sensor. La secuencia es cobre de la almohadilla de la resistencia -> soldadura > almohadilla de cobre y vías térmicas -> soldadura -> conexión a tierra de cobre del sensor. Como se puede ver, en realidad, hemos conectado directamente nuestra resistencia del calentador al sensor usando soldadura y cobre. El calor preferirá fluir a través de esta ruta de baja resistencia térmica y mucho menos hacia la PCB circundante.

    Las almohadillas térmicas son similares. pero tenemos vías térmicas en ambas almohadillas de resistencia y se conectan a dos vertidos de cobre directamente debajo del sensor, que actúan como almohadillas térmicas de cobre. Si es posible, no cubra estos vertidos con una máscara de soldadura y use un compuesto de interfaz térmica o una almohadilla térmica entre las almohadillas térmicas de cobre y el sensor. Sin embargo, es probable que esta opción sea inferior a la inyección directa de calor.

    Nota : mantenga estas vías térmicas aisladas de cualquiera de sus vertidos internos de cobre tanto como sea posible.

En cuanto a controlar esto, si no fuera a hacerlo digitalmente, hay todo tipo de circuitos de retardo que usan un diodo, un transistor y la constante de tiempo RC de una resistencia y un capacitor. Puede usar esto para apagar y encender el sensor después de un retraso preestablecido (20-30 segundos).

Hay muchas resistencias de montaje en superficie listas para usar que pueden manejar la potencia que está a su disposición. Incluso puede usar varias resistencias para distribuir el calor y reducir la potencia de las piezas. Por ejemplo, muchas resistencias 1206 están clasificadas para 0,5 W. El uso de dos de estos para distribuir el calor dividiría la potencia entre ellos, dando a cada uno suficiente espacio libre para garantizar que no se acerque a los límites especificados. Una sola resistencia 2512 puede tener una capacidad nominal de 1 W. Consulte la hoja de datos de la pieza del fabricante para conocer los detalles de cada pieza.

Tenga en cuenta que está tratando de transferir la energía térmica a la PCB y a su sensor. Según el tipo de disipador de calor al que se refiera, el disipador de calor puede intentar transferir esa energía térmica al aire circundante, que es lo que desea evitar. El cobre es un buen conductor térmico, por lo que puede usar los rastros que se conectan a la(s) resistencia(s) de calefacción para transferir el calor al sensor. Si la resistencia y el sensor comparten un nodo común para la conexión directa de cobre, utilícelo a su favor. Mantenga la resistencia cerca del sensor y el cobre entre ellos tan grande como sea razonable.

Una solución económica como alternativa a las resistencias smd podría ser usar un meandro de trazas delgadas de cobre para disipar la energía si tiene espacio en su pcb (tal vez en una capa enterrada).

La capa enterrada no es buena sin vías térmicas, y no se pueden usar las vías de manera eficiente, ya que tienen que estar separadas eléctricamente. Habiendo dicho eso, si el cuerpo del sensor es lo suficientemente grande y no tiene una almohadilla expuesta, hacer un trazo delgado de PCB en la rejilla de calefacción justo debajo del cuerpo del sensor puede ser una solución muy interesante.
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