BR112020000879A2

BR112020000879A2 - aperfeiçoamento em acoplamento térmico entre transistor e drivers de audio com dissipador de calor

Info

Publication number: BR112020000879A2
Application number: BR112020000879-6A
Authority: BR
Inventors: Juliano Anflor
Original assignee: Juliano Anflor
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-03-23
Also published as: WO2021003539A1; US20220068757A1; BR112021010446A2; CN113544868A

Abstract

APERFEIÇOAMENTO EM ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR. A presente invenção pertence ao setor tecnológico de amplificadores de áudio e compreende, mais precisamente, um Transistor SMD ou driver de áudio (1) soldado diretamente em placa de núcleo de metal (2) com transferência de calor para o dissipador aprimorado (3). Esta concepção proporciona a transferência de calor ideal, já que o componente (1) é soldado diretamente em um material altamente condutivo termicamente.

Description

APERFEIÇOAMENTO EM ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE

TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR Setor tecnológico da invenção

[0001] A presente invenção pertence, de modo geral, ao setor tecnológico de dispositivos eletrônicos e se refere, mais especificamente, ao setor de amplificadores de áudio, tendo por finalidade melhorar o acoplamento térmico entre transistor SMD (surface mount device) e drivers de áudio com seus dissipadores de calor, reduzindo a temperatura de trabalho e permitindo, assim, o aumento da densidade de potencia de amplificadores de áudio, redução do custo do produto e aumento da confiabilidade, ao mesmo tempo em que elimina componentes de fixação e isolação elétrica entre a placa e o dissipador, reduzindo o tempo de fabricação do produto, suas dimensões e custo.

Estado da técnica conhecido

[0002] O estado da técnica deste setor tecnológico compreende duas modalidades de encapsulamento de transistores para amplificadores de áudio, sendo conhecidos o PTH (pin through hole) e o SMD (surface mount device).

[0003] Os componentes PTH são montados diretamente no dissipador através de parafusos, presilhas e isolante elétrico, por isso possuem um acoplamento térmico adequado, mas a fixação é cara, de montagem lenta e ocupa muito espaço.

[0004] Os componentes SMD são montados diretamente na placa de circuito impresso (PCB), que é produzida em fibra de vidro com baixa condutividade térmica. Para fazer a transferência térmica entre o componente SMD e um dissipador acoplado em baixo da placa são usadas “vias” em baixo do transistor. O acoplamento térmico é prejudicado devido ao fato das “vias” não possuírem boa condutividade térmica, o que faz com que o componente SMD opere em uma temperatura mais alta em relação aos componentes PTH. Uma via de 0,6mm possui em média uma resistência térmica de 96.8 *C/W, o que significa que a cada watt dissipado no componente, sua temperatura se elevará em 96.8 ºC. A adição de mais vias reduz a resistência térmica, mas esta solução é limitada pelo tamanho reduzido do transistor ou driver de áudio. Em 270 mm? de placa com o máximo de vias possíveis, a resistência térmica cai para 12 ºC/W. Para exemplificar, em um amplificador de áudio de 100W e 90% de eficiência, há uma potencia de 10W dissipada no transistor ou driver de áudio que precisa ser transferida para o dissipador de calor e as vias não dão a condução térmica adequada à essa aplicação. Nesse exemplo, o componente chegaria a 120ºC dissipando uma potencia de 10W, sendo que a maioria dos transistores possuem uma temperatura de trabalho máxima de 150ºC. Outra desvantagem se refere a necessidade de usar isolante elétrico entre a placa e o dissipador.

Novidade e objetivos da invenção

[0005] A presente invenção se refere a um acoplamento térmico aperfeiçoado entre o transistor e o driver de áudio com o dissipador de calor abaixo da placa, capaz de eliminar as deficiências do estado da técnica. Assim, a invenção compreende a substituição do núcleo da placa de circuito impresso por um núcleo constituído por um material termicamente eficiente, como alumínio, cobre ou cerâmica, permitindo que o transistor ou o driver de áudio tenha um acoplamento térmico direto com o dissipador e uma transferência de calor equivalente aos componentes PTH. Uma vez que os transistores e drivers são fixados diretamente na placa e esta é isolada eletricamente, a instalação da placa no dissipador é facilitada, pois elimina a necessidade de empregar isolantes elétricos e componentes de fixação como parafusos e presilhas (necessários nos componentes PTH).

[0006] As vantagens são várias. Ao trocar o núcleo da placa para metal, o componente SMD opera em uma temperatura menor, aumentando a confiabilidade do produto, já que a potencia máxima de trabalho do transistor ou driver é inversamente proporcional à sua temperatura de operação (Figura 1). Dessa forma é possível também utilizar um componente de potencia menor e mais barato garantindo a mesma confiabilidade na aplicação.

[0007] Em alguns casos, a placa de metal pode substituir o dissipador, já que é produzida no mesmo material que os dissipadores de calor e pode assumir a mesma função.

Descrição dos desenhos anexos

[0008] A fim de que a presente invenção seja plenamente compreendida e levada à prática por qualquer técnico no assunto, a mesma será explicada de forma clara, concisa e suficiente, tendo como base os desenhos anexos abaixo listados, que são apenas exembplificativos de concretizações preferenciais sem ter a finalidade de limitar o escopo da invenção apenas aos exemplos ilustrados, pois qualquer um versado na técnica sabe que inúmeras alterações, supressões, adições e substituições podem ser realizadas sem escapar do escopo da proteção:

[0009] Figura 1 apresenta uma curva típica de corrente máxima de operação versus temperatura de um transistor.

[0010] Figura 2 apresenta o estado da técnica atual, ilustrando um transistor SMD ou driver de áudio montado em placa de fibra de vidro padrão com vias para transferência térmica.

[0011] Figura 3 apresenta a invenção proposta, em que o transistor SMD ou driver de áudio é montado em placa de núcleo de metal com transferência de calor para o dissipador aprimorado.

Descrição detalhada da invenção

[0012] A presente invenção, revelada neste relatório descritivo, compreende Transistor SMD ou driver de áudio (1) soldado diretamente em placa de núcleo de metal (2) com transferência de calor para o dissipador aprimorado (3). Esta concepção proporciona a transferência de calor ideal, já que o componente (1) é soldado diretamente em um material altamente condutivo termicamente.

[0013] Em uma concretização preferencial da invenção é utilizada uma placa (2) com núcleo de alumínio, cobre ou cerâmica. Na figura 1 é apresentada a curva típica de corrente máxima de operação versus temperatura de um transistor e, como já explanado anteriormente, com os componentes instalados de modo convencional em uma placa de 270 mm?, em um amplificador de áudio de 100 W e 90% de eficiência há uma potencia de 10 W dissipada no transistor ou driver de áudio que precisa ser transferida para o dissipador de calor e componente eleva a sua temperatura a 120 ºC. Na mesma área de 270-mm?, com os componentes instalados de acordo com a presente invenção, a resistência térmica de uma placa de núcleo de metal (2) é de apenas 0,2 ºC/W e um componente (2) que dissipa os mesmos 10 W elevaria sua temperatura em apenas 2ºC.

[0014] Em dois protótipos montados de acordo com a invenção, um amplificador de 800W e outro de 1200W. No amplificador de 800W a densidade de potência (Watt/Cm?) aumentou em torno de 2x e no amplificador de 1200W a densidade de potência aumentou em torno de 3x evidenciando a grande melhoria que a patente proposta oferece ao produto, visto que a redução do tamanho da placa e do dissipador resultam em uma grande redução de custo. Os dois protótipos atingiram a potencia especificada e tiveram performance equivalente ou melhor que os produtos sem a utilização das melhorias citadas na invenção.

[0015] Tratou-se no presente relatório descritivo de uma invenção revestida de aplicação industrial, novidade e atividade inventiva, sendo, portanto, dotada de todos os requisitos legais para receber a patente pleiteada.

Claims

Reivindicações: 1- APERFEIÇOAMENTO EM ACOPLAMENTO TÉRMICO

ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR caracterizado por compreender Transistor SMD ou driver de áudio (1) soldado diretamente em placa de núcleo de metal (2) com transferência de calor para o dissipador aprimorado (3).

2- APERFEIÇOAMENTO EM ACOPLAMENTO TÉRMICO

ENTRE TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR de acordo com a reivindicação 1 e ainda caracterizado por a placa (2) ter núcleo escolhido do grupo formado por alumínio, cobre ou cerâmica.

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Resumo:

APERFEIÇOAMENTO EM ACOPLAMENTO TÉRMICO ENTRE

TRANSISTOR E DRIVERS DE AUDIO COM DISSIPADOR DE CALOR A presente invenção pertence ao setor tecnológico de amplificadores de áudio e compreende, mais precisamente, um Transistor SMD ou driver de áudio (1) soldado diretamente em placa de núcleo de metal (2) com transferência de calor para o dissipador aprimorado (3). Esta concepção proporciona a transferência de calor ideal, já que o componente (1) é soldado diretamente em um material altamente condutivo termicamente.