Os MOSFETs de potência para montagem em superfície (SMD) estão se tornando muito comuns em fontes chaveadas, principalmente nos circuitos que utilizam microprocessadores. No entanto, como qualquer componente de pot6encia que deve dissipar uma boa quantidade de calor quando em funcionamento, é preciso tomar cuidados especiais com sua instalação e o layout da placa. Veja neste artigo, baseado em documentação técnica da Fairchild (www.fairchildsemi.com) como trabalhar com esses componentes. (2005)
A maioria dos equipamentos atuais que fazem uso de microprocessadores tem uma fonte chaveada em que um MOSFET de potência é um dos principais componentes.
Até então, as fontes chaveadas faziam uso de transistores em invólucros TO-220, pela comodidade de obtenção e facilidade com que podem ser usados.
No entanto, se levarmos em conta que tais componentes precisam de dissipadores de calor, a versão em SMD pode ser muito mais interessante, pois ocupa menos espaço. Assim, essa tem sido a adotada na maioria dos projetos atuais que precisam de uma fonte chaveada.
No entanto, quando se utiliza um componente para montagem em superfície, principalmente se ele for de potência, é preciso redobrar os cuidados com a dissipação de modo a mantê-lo dentro dos limites de temperatura em que ele pode operar.
Leve-se em conta que nos componentes com invólucro SO-8 o dissipador não pode ser usado. O único meio que o projetista tem para fazer com que o componente se livre do calor gerado é através de seus terminais, passando-o para áreas cobreadas na própria placa de circuito impresso, conforme mostra a figura 1.
No entanto, em componentes com invólucro TO-263, têm-se uma área maior disponível de um dos lados do componente e que corresponde ao dreno do transistor. Essa área é metálica e pode ser usada para transferir o calor para uma superfície da placa onde ele será dissipado.
O Circuito Térmico
É preciso controlar a temperatura de um MOSFET de potência para que ela não ultrapasse os limites que ele suporta. Além desse ponto o componente será destruído.
Quando o MOSFETs opera, a corrente que ele conduz gera calor na pastilha semicondutora, aquecendo-a. Devido à diferença de temperatura que se estabelece entre ela e o ambiente externo, o calor se desloca em direção aos terminais e os terminais o passam para o meio exterior.
Podemos comparar esse processo a um circuito elétrico que, como os circuitos elétricos comuns têm resistores e capacitores.
Existem o que denominamos “resistência térmicas” e capacitâncias térmicas” que determinam o modo como o calor pode se deslocar do ponto em que ele é gerado para o ponto em que ele deve ser dissipado.
As resistências são ligadas em série. Assim, num circuito como o da figura 2 temos um MOSFET dissipando uma potência de 2 W.
Esse circuito tem uma resistência térmica em relação ao ambiente de 30º C/W e a temperatura ambiente é de 40º C. A temperatura do semicondutor quando em operação é de 100º C,
Na parte direita da figura vemos que isso corresponde a uma fonte de 2 A em que estabelece-se uma tensão de 100 V num sentido e uma tensão de 40 V no outro, havendo um resistor de 30 ohms entre eles.
Veja então que enquanto a fonte do lado direito “vê” uma tensão de 100 V sobre o circuito externo, o MOSFET “vê” uma temperatura de 100º C em relação ao ambiente externo.
Características Térmicas
A resistência térmica é representada por θja. Juntamente com a dissipação de potência e a temperatura ambiente, essas três grandezas determinam a temperatura da junção do MOSFETs.
Numa aplicação, a superfície de dissipação que vai transferir o calor gerado pelo componente deve garantir que a temperatura θja se mantenha dentro dos limites previstos pelo fabricante.
Na figura 3 temos diferentes exemplos de superfícies usadas na dissipação com as curvas de temperatura obtidas segundo a Fairchild.
Tomando essa figura como base, vamos supor que no exemplo a temperatura ambiente seja de 40º C e que a pastilha do dispositivo usado (MOSFET) não possa ultrapassar 100º C. Além disso, a potência que deve ser dissipada seja 2 W.
Podemos calcular θja usando a seguinte fórmula:
θja = (100º C – 40º C)/2W
θja = 30º C/W
Para conseguir 30º C/W observamos pelo gráfico que a área usada na dissipação deve ter pelo menos 1,72 polegadas quadradas.
Reduzindo o Tamanho da Superfície de Dissipação
1,75 polegadas quadradas não é uma superfície pequena para uma montagem em SMD, principalmente se existir problemas de espaço.
Uma alternativa para reduzir o espaço de dissipação necessário consiste em se ligar dois MOSFETs de potência em paralelo em lugar de se usar um só.
Com esse procedimento não só se reduz a resistência total, baixando a potência dissipada, como também se distribui as perdas de potência entre os dois componentes. Com isso, a superfície de dissipação pode ser consideravelmente reduzida.
Tomemos o seguinte exemplo em que dois MOSFETs são usados em lugar de apenas um. A resistência total no estado de condução é reduzida à metade.
No entanto, as perdas por comutação são aumentadas devido ao aumento da capacitância do circuito de gate.
A potência total do circuito que era de 2 W, ficará reduzida para algo em torno de 1,4 W. Esses 1,4 W vão ser distribuídos entre dois invólucros, o que significa que cada um deve dissipar 0,7 W.
Usando o gráfico da figura 4, vemos que o tamanho da superfície de dissipação é agora de apenas 0,04 polegadas quadradas. Isso significa um valor menor que o próprio tamanho do componente..
Os dois componentes juntos ocuparão apenas 0,16 polegadas quadradas o que é muito menos que 1,8 polegadas quadradas se apenas um MOSFET tivesse sido usado.
Levando em conta o custo do componente, a necessidade de menos espaço numa placa, a adoção dessa solução pode ser muito interessante num projeto.
Conclusão
O uso de MOSFETs de potência em montagens SMD é uma excelente alternativa para projetos que tenham fontes chaveadas. Aproveitando a própria placa como dissipador, eles ocupam menos espaço e são mais econômicos pois não preciso de um componente adicional que é o dissipador.
No entanto, é preciso tomar alguns cuidados com sua utilização, principalmente em relação ao tamanho da superfície de dissipação que pode ser necessária numa aplicação.
Neste artigo vimos como dimensionar essa superfície e que soluções podem ser adotadas para reduzir seu tamanho.
Em especial a Fairchild recomenda o uso de MOSFETs com invólucros D2PAK para os quais os cálculos dados como exemplo nesse artigo se aplicam.
