Los MOSFET de potencia para montaje en superficie (SMD) se están volviendo muy comunes en fuentes conmutadas, principalmente en los circuitos que utilizan microprocesadores. Sin embargo, como cualquier componente de potencia que debe disipar una buena cantidad de calor cuando está en funcionamiento, es necesario tomar cuidados especiales con su instalación y el diseño de la placa. En este artículo, basado en la documentación técnica de Fairchild (www.fairchildsemi.com), cómo trabajar con estos componentes.
La mayoría de los equipos actuales que hacen uso de microprocesadores tienen una fuente clave en la que un MOSFET de potencia es uno de los principales componentes.
Hasta entonces, las fuentes clave hacían uso de transistores en envoltorios TO-220, por la comodidad de obtención y facilidad con que pueden ser usados.
Sin embargo, si se tiene en cuenta que estos componentes necesitan disipadores de calor, la versión en SMD puede ser mucho más interesante, ya que ocupa menos espacio. Así, esa ha sido la adoptada en la mayoría de los proyectos actuales que necesitan una fuente clave.
Sin embargo, cuando se utiliza un componente para montaje en superficie, principalmente si es de potencia, es necesario redoblar los cuidados con la disipación para mantenerlo dentro de los límites de temperatura en que puede operar.
Tenga en cuenta que en los componentes con envoltura SO-8 el disipador no se puede utilizar. El único medio que el proyectista tiene para hacer que el componente se libre del calor generado es a través de sus terminales, pasándolo a áreas cubiertas en la propia placa de circuito impreso, como muestra la figura 1.
Sin embargo, en componentes con envoltorio TO-263, se tiene un área mayor disponible de uno de los lados del componente y que corresponde al drenaje del transistor. Esta área es metálica y se puede utilizar para transferir el calor a una superficie de la placa donde se disipará.
El Circuito Térmico
Es necesario controlar la temperatura de un MOSFET de potencia para que no supere los límites que soporta. Además de ese punto el componente será destruido.
Cuando el MOSFET opera, la corriente que conduce genera calor en la pastilla semiconductora, calentándola. Debido a la diferencia de temperatura que se establece entre ella y el ambiente externo, el calor se desplaza hacia las terminales y las terminales lo pasan al medio exterior.
Podemos comparar este proceso a un circuito eléctrico que, como los circuitos eléctricos comunes tienen resistores y condensadores.
Hay lo que denominamos "resistencia térmica" y capacitancias térmicas "que determinan la forma en que el calor puede desplazarse desde el punto en que se genera para el punto en que debe ser disipado.
Las resistencias se conectan en serie. Así, en un circuito como el de la figura 2 tenemos un MOSFET disipando una potencia de 2 W.
Este circuito tiene una resistencia térmica en relación al ambiente de 30º C / W y la temperatura ambiente es de 40º C. La temperatura del semiconductor cuando en operación es de 100º C,
En la parte derecha de la figura vemos que esto corresponde a una fuente de 2 A en que se establece una tensión de 100 V en un sentido y una tensión de 40 V en el otro, habiendo un resistor de 30 ohmios entre ellos.
En el momento en que la fuente del lado derecho "ve" una tensión de 100 V sobre el circuito externo, el MOSFET "ve" una temperatura de 100º C en relación al ambiente externo.
Características Térmicas
La resistencia térmica se representa por ?ja. Junto con la disipación de potencia y la temperatura ambiente, estas tres magnitudes determinan la temperatura de la unión del MOSFET.
En una aplicación, la superficie de disipación que va a transferir el calor generado por el componente debe garantizar que la temperatura ?ja se mantenga dentro de los límites previstos por el fabricante.
En la figura 3 tenemos diferentes ejemplos de superficies usadas en la disipación con las curvas de temperatura obtenidas según Fairchild.
En el caso de que la temperatura ambiente sea de 40º C y que la pastilla del dispositivo utilizado (MOSFET) no pueda sobrepasar los 100º C. Además, la potencia que debe disiparse sea 2 W.
Podemos calcular Θja usando la siguiente fórmula:
Θ ja = (100º C - 40º C) / 2W
Θ ja = 30º C / W
Para alcanzar 30º C / W observamos por el gráfico que el área usada en la disipación debe tener por lo menos 1,72 pulgadas cuadradas.
Reducción del tamaño de la superficie de disipación
1,75 pulgadas cuadradas no es una superficie pequeña para un montaje en SMD, sobre todo si hay problemas de espacio.
Una alternativa para reducir el espacio de disipación necesario consiste en conectar dos MOSFETs de potencia en paralelo en lugar de usar uno solo.
Con este procedimiento no sólo se reduce la resistencia total, bajando la potencia disipada, como también se distribuye las pérdidas de potencia entre los dos componentes. Con ello, la superficie de disipación puede reducirse considerablemente.
Tomemos el siguiente ejemplo en que dos MOSFET se utilizan en lugar de sólo uno. La resistencia total en el estado de conducción se reduce a la mitad.
Sin embargo, las pérdidas por conmutación se incrementan debido al aumento de la capacitancia del circuito de puerta.
La potencia total del circuito que era de 2 W, quedará reducida a algo alrededor de 1,4 W. Estos 1,4 W se distribuir entre dos envoltorios, lo que significa que cada uno debe disipar 0,7 W.
Usando el gráfico de la figura 4, vemos que el tamaño de la superficie de disipación es ahora de sólo 0,04 pulgadas cuadradas. Esto significa un valor menor que el tamaño del componente.
Los dos componentes juntos ocuparán sólo 0,16 pulgadas cuadradas lo que es mucho menos que 1,8 pulgadas cuadradas si sólo se ha utilizado un MOSFET.
Teniendo en cuenta el costo del componente, la necesidad de menos espacio en una placa, la adopción de esta solución puede ser muy interesante en un proyecto.
Conclusión
El uso de MOSFETs de potencia en montajes SMD es una excelente alternativa para proyectos que tengan fuentes conmutadas. Aprovechando la propia placa como disipador, ellos ocupan menos espacio y son más económicos pues no necesito un componente adicional que es el disipador.
Sin embargo, es necesario tomar algunos cuidados con su uso, principalmente en relación al tamaño de la superficie de disipación que puede ser necesaria en una aplicación.
En este artículo hemos visto cómo dimensionar esa superficie y qué soluciones pueden ser adoptadas para reducir su tamaño.
En especial, Faircild recomienda el uso de MOSFET con envoltorios D2PAK para los que se aplican los cálculos dados como ejemplo en este artículo.
