Hlavní řešení tepelného managementu napájení
Tepelné hospodářství se řídí základními fyzikálními principy. Existují tři způsoby vedení tepla: sálání, vedení a proudění.
U většiny elektronických systémů je k dosažení požadovaného chlazení nejprve nechat teplo opustit zdroj tepla vedením a poté jej přenést na jiná místa konvekcí.
Při provádění tepelného návrhu je nutné kombinovat různé hardwarové prvky tepelného managementu, aby bylo efektivně dosaženo požadované vodivosti a konvekce.
Existují tři nejběžněji používané chladicí komponenty: chladiče, tepelné trubice a ventilátory.
Chladič a tepelná trubice jsou pasivní chladicí systémy bez napájení, zatímco ventilátor je aktivní chladicí systém s nuceným oběhem vzduchu.
Radiátor je hliníková nebo měděná konstrukce, která může získat teplo ze zdroje tepla vedením a přenést teplo do proudu vzduchu (v některých případech do vody nebo jiných kapalin), aby se dosáhlo konvekce.
Chladiče mají tisíce velikostí a tvarů, od malých lisovaných kovových žeber, které spojují jeden tranzistor, až po velké výlisky s mnoha žebry (prsty), které dokážou zachytit konvektivní proudění vzduchu a přenášet do něj teplo.
Radiátor má výhody bez pohyblivých částí, provozních nákladů, poruchových režimů atd.
Jakmile je radiátor připojen ke zdroji tepla, jak teplý vzduch stoupá, přirozeně dochází ke konvekci, čímž se začíná a pokračuje ve vytváření proudění vzduchu.
Přestože se radiátor snadno používá, má některé nevýhody:
Radiátor, který přenáší velké teplo, je velký, nákladný a těžký a musí být správně umístěn, což ovlivní nebo omezí fyzické uspořádání desky plošných spojů;
Žebra mohou být zablokována prachem v proudu vzduchu, což snižuje účinnost;
Musí být správně připojen ke zdroji tepla, aby teplo mohlo plynule proudit od zdroje tepla do radiátoru.
Tepelná trubice
Je to další důležitá součást sady tepelného managementu, která může přenášet teplo z bodu A do bodu B bez jakékoli formy aktivního silového mechanismu.
Obsahuje slinuté jádro a utěsněnou kovovou trubici pracovní tekutiny. Sám o sobě jako radiátor nefunguje. Jeho funkcí je absorbovat teplo ze zdroje tepla a přenášet ho do chladnější oblasti.
Tepelné trubice lze použít, když v blízkosti zdroje tepla není dostatek místa pro umístění radiátoru nebo je proudění vzduchu nedostatečné. Tepelná trubice má vysokou pracovní účinnost a může přenášet teplo ze zdroje na místo, které je pohodlnější pro správu.
Jeho princip fungování je jednoduchý a důmyslný:
Zdroj tepla přeměňuje pracovní tekutinu v utěsněné trubici na páru a pára přenáší teplo na chladnější konec tepelné trubice. Na tomto konci pára kondenzuje na kapalinu a uvolňuje teplo, zatímco kapalina se vrací do teplejšího konce.
Tento proces transformace plyn-kapalina probíhá nepřetržitě a je řízen pouze teplotním rozdílem mezi studeným koncem a horkým koncem. Připojení chladiče nebo jiného chladicího zařízení na studeném konci může vyřešit problém rozptylu tepla místních horkých míst, kde je proudění vzduchu blokováno.
Fanoušek
Je to první krok k aktivnímu chladiči s nuceným chlazením vzduchu, kromě pasivních radiátorů a tepelných trubic, ale ventilátory mají také nevýhody:
vysoké náklady, potřeba místa, zvýšení hluku systému;
Náchylné k poruchám, spotřebovávají energii a ovlivňují účinnost celého systému
Ale v mnoha případech, zvláště když je dráha proudění vzduchu zakřivená, vertikální nebo není hladká, jsou obvykle jediným způsobem, jak dosáhnout dostatečného proudění vzduchu.
Klíčovým parametrem, který určuje kapacitu ventilátoru, je délka jednotky nebo jednotkový objemový průtok vzduchu za minutu.
Problémem je však fyzická velikost: velký ventilátor s nízkou rychlostí otáčení může produkovat stejný proud vzduchu jako malý ventilátor s vysokou rychlostí otáčení, takže existuje kompromis mezi velikostí a rychlostí.
Modelování a komplexní simulace
Samostatné pasivní systémy jsou rozměrově větší, ale spolehlivější a efektivnější a ventilátory mohou hrát roli v situacích, kdy pasivní chlazení nelze použít samostatně.
Jaký systém pro chlazení zvolit, je často těžké rozhodnutí.
V tuto chvíli je nutné určit, kolik chladicího vzduchu je potřeba a jak dosáhnout chlazení pomocí modelování a simulace, což je zásadní pro efektivní strategie tepelného managementu.
U miniaturního modelu je zdroj tepla a jeho dráha tepelného toku charakterizován svým tepelným odporem a tepelný odpor je určen použitým materiálem, kvalitou a velikostí.
Modelování ukazuje, jak teplo proudí ze zdroje tepla a je také prvním krokem při vyhodnocování komponent, které svým vlastním odvodem tepla způsobují tepelné havárie.
Například dodavatelé zařízení, jako jsou integrované obvody s vysokým rozptylem tepla, MOSFETy a IGBT, obvykle poskytují tepelné modely, které mohou poskytnout podrobnosti o tepelné cestě od zdroje tepla k povrchu zařízení.
Jakmile je známé tepelné zatížení každé součásti, dalším krokem je modelování na makro úrovni, což je jednoduché i složité:
Upravte velikost proudění vzduchu různými zdroji tepla, abyste udrželi jeho teplotu pod povolenou hranicí; použijte teplotu vzduchu, dostupný průtok nevynuceného průtoku vzduchu, průtok vzduchu ventilátorem a další faktory k provedení základních výpočtů, abyste zhruba pochopili teplotní situaci.
Dalším krokem je použití modelu a umístění každého zdroje tepla, PC desky, povrchu pláště a dalších faktorů k provedení složitějšího modelování celého produktu a jeho obalu.
Nakonec musí modelování vyřešit dva problémy:
Problém špičkového a průměrného rozptylu. Například součástka v ustáleném stavu s trvalým tepelným ztrátou 1W a zařízení se ztrátou tepla 10W, ale s 10% přerušovaným pracovním cyklem mají různé tepelné účinky.
To znamená, že průměrný rozptyl tepla je stejný a související tepelná hmota a tepelný tok budou produkovat různé distribuce tepla. Většina aplikací CFD může kombinovat statickou a dynamickou analýzu.
Nedokonalost fyzického spojení mezi povrchem součástky a miniaturním modelem, jako je fyzické spojení mezi horní částí pouzdra IC a chladičem.
Pokud má spoj malou vzdálenost, zvýší se tepelný odpor této cesty a je nutné vyplnit kontaktní plochu tepelnou podložkou pro zvýšení tepelné vodivosti cesty.
Tepelný management může snížit teplotu součástí v napájecím zdroji a vnitřním prostředí, což může prodloužit životnost produktu a zlepšit spolehlivost.
Tepelný management je však integrovaný koncept, pokud se rozdělí na detaily, je to obrovské téma.
Zahrnuje kompromisy velikosti, výkonu, účinnosti, hmotnosti, spolehlivosti a ceny. Musí být vyhodnocena priorita a omezení projektu.
