Основні термічні рішення управління електропостачанням
Управління теплом підпорядковується основним принципам фізики. Розрізняють три способи теплопровідності: випромінювання, провідність і конвекція.
Для більшості електронних систем для досягнення необхідного охолодження необхідно спочатку випустити тепло з джерела тепла шляхом провідності, а потім передати його в інші місця за допомогою конвекції.
При виконанні теплового проектування необхідно поєднувати різні апаратні засоби управління температурою, щоб ефективно досягти необхідної провідності та конвекції.
Є три найбільш часто використовувані компоненти охолодження: радіатори, теплові трубки та вентилятори.
Радіатор і теплові трубки є пасивними системами охолодження без живлення, тоді як вентилятор є системою активного примусового повітряного охолодження.
Радіатор являє собою алюмінієву або мідну конструкцію, яка може отримувати тепло від джерела тепла за допомогою провідності і передавати тепло потоку повітря (у деяких випадках воді або іншим рідинам) для досягнення конвекції.
Теплоотводи бувають тисяч розмірів і форм, від невеликих штампованих металевих ребер, які з’єднують один транзистор, до великих видавлень з багатьма ребрами (пальцями), які можуть перехоплювати конвективний потік повітря і передавати йому тепло.
Радіатор має переваги: відсутність рухомих частин, експлуатаційні витрати, режими відмови тощо.
Після підключення радіатора до джерела тепла, коли тепле повітря піднімається вгору, природним чином виникне конвекція, що почне і продовжує утворювати повітряний потік.
Хоча радіатор простий у використанні, він має деякі недоліки:
Радіатор, який передає велику кількість тепла, великий, дорогий і важкий, і його потрібно правильно розмістити, що вплине або обмежить фізичну компоновку друкованої плати;
Ребра можуть бути заблоковані пилом у повітряному потоці, що знижує ефективність;
Він повинен бути належним чином під’єднаний до джерела тепла, щоб тепло могло плавно надходити від джерела тепла до радіатора.
Теплова труба
Це ще один важливий компонент набору теплового керування, який може передавати тепло від точки А до точки В без будь-якої форми активного механізму примусу.
Він містить спечену серцевину і герметичну металеву трубку з робочою рідиною. Сам по собі він не працює як радіатор. Його функція полягає в поглинанні тепла від джерела тепла і передачі його в більш холодну зону.
Теплові труби можна використовувати, коли біля джерела тепла недостатньо місця для розміщення радіатора або повітряного потоку недостатньо. Теплова труба має високу ефективність роботи і може передавати тепло від джерела в місце, яке зручніше в управлінні.
Його принцип роботи простий і геніальний:
Джерело тепла перетворює робочу рідину в пару в герметичній трубці, а пара передає тепло до більш холодного кінця теплової труби. У цьому кінці пара конденсується в рідину і виділяє тепло, а рідина повертається до більш гарячого кінця.
Цей процес перетворення газ-рідина відбувається безперервно і обумовлений лише різницею температур між холодним і гарячим кінцем. Підключення радіатора або іншого охолоджуючого пристрою на холодному кінці може вирішити проблему розсіювання тепла в локальних гарячих точках, де повітряний потік блокується.
Вентилятор
Це перший крок до активного радіатора з примусовим повітряним охолодженням, окрім пасивних радіаторів і теплових трубок, але у вентиляторів є й недоліки:
висока вартість, потреба в просторі, підвищення шуму системи;
Схильні до збоїв, споживають енергію і впливають на ефективність роботи всієї системи
Але в багатьох випадках, особливо коли шлях повітряного потоку викривлений, вертикальний або нерівний, зазвичай це єдиний спосіб отримати достатній потік повітря.
Ключовим параметром, який визначає потужність вентилятора, є одинична довжина або одиничний об'ємний витрата повітря за хвилину.
Однак фізичний розмір є проблемою: великий вентилятор з низькою швидкістю обертання може створювати такий же повітряний потік, що і маленький вентилятор з високою швидкістю обертання, тому існує компроміс між розміром і швидкістю.
Моделювання та комплексне моделювання
Окремі пасивні системи більші за розміром, але більш надійні та ефективні, а вентилятори можуть відігравати певну роль у ситуаціях, коли пасивне охолодження не можна використовувати окремо.
Яку систему вибрати для охолодження, часто буває складним рішенням.
У цей час необхідно визначити, скільки повітря для охолодження необхідно і як досягти охолодження за допомогою моделювання та моделювання, що важливо для ефективних стратегій управління теплом.
Для мініатюрної моделі джерело тепла та його шлях теплового потоку характеризуються їх тепловим опором, а термічний опір визначається використовуваним матеріалом, якістю та розміром.
Моделювання показує, як тепло надходить від джерела тепла, а також є першим кроком в оцінці компонентів, які викликають теплові аварії через власне тепловідведення.
Наприклад, такі постачальники пристроїв, як мікросхеми з високою тепловіддачею, MOSFET і IGBT, зазвичай надають теплові моделі, які можуть надати детальну інформацію про тепловий шлях від джерела тепла до поверхні пристрою.
Після того, як теплове навантаження кожного компонента відоме, наступним кроком є моделювання на макрорівні, який є одночасно простим і складним:
Регулюйте величину потоку повітря через різні джерела тепла, щоб підтримувати його температуру нижче допустимої межі; використовуйте температуру повітря, невимушений доступний потік повітря, потік повітря вентилятора та інші фактори для виконання основних розрахунків, щоб приблизно зрозуміти температурну ситуацію.
Наступним кроком є використання моделі та розташування кожного джерела тепла, друкованої плати, поверхні оболонки та інших факторів для виконання більш складного моделювання всього продукту та його упаковки.
Нарешті, моделювання має вирішити дві проблеми:
Проблема пікової та середньої диссипації. Наприклад, стаціонарний компонент з безперервною тепловіддачею 1 Вт і пристрій з тепловим розсіюванням 10 Вт, але з переривчастим робочим циклом 10% мають різні теплові ефекти.
Тобто середня тепловіддача однакова, а пов’язана теплова маса та тепловий потік вироблятимуть різний розподіл тепла. Більшість програм CFD можуть поєднувати статичний та динамічний аналіз.
Недосконалість фізичного зв’язку між поверхнею компонента та мініатюрною моделлю, наприклад фізичне з’єднання між верхньою частиною корпусу ІС та радіатором.
Якщо з’єднання має невелику відстань, тепловий опір цього шляху буде зростати, і необхідно заповнити контактну поверхню термопрокладкою для підвищення теплопровідності тракту.
Управління температурою може знизити температуру компонентів у джерелі живлення та внутрішньому середовищі, що може продовжити термін служби виробу та підвищити надійність.
Але термоменеджмент — це інтегрована концепція, якщо розбити до дрібниць, то це величезна тема.
Це передбачає компроміси розміру, потужності, ефективності, ваги, надійності та вартості. Необхідно оцінити пріоритетність та обмеження проекту.
