Thermal Management Technology Series: Power Cooling Management
Když elektroinženýři zmíní termín"řízení napájení", většina lidí si vybaví MOS elektronky, konvertory, transformátory atd.
Ve skutečnosti je správa napájení mnohem víc než to.
Napájecí zdroj bude při provozu generovat teplo a neustálý nárůst teploty způsobí změny výkonu, které mohou případně vést k selhání systému.
Teplo navíc zkrátí životnost součástí a ovlivní dlouhodobou spolehlivost.
Správa napájení proto zahrnuje také tepelný management. Co se týče tepelného managementu, je třeba porozumět dvěma hlediskům:
& quot;Mikro"|Problém
Jedna součást se přehřála kvůli nadměrnému vývinu tepla, ale teplota zbytku systému a skříně je v limitu.
& quot;Makro"|Problém
Teplota celého systému je příliš vysoká z důvodu akumulace tepla z více zdrojů tepla.
Technik musí určit, kolik problémů tepelného managementu je mikro a makro, a stupeň korelace mezi těmito dvěma.
Jednoduché pochopení je, že i když nárůst teploty součásti generující teplo překročí přípustnou mez a způsobí zahřátí celého systému, nemusí to nutně znamenat přehřátí celého systému, ale přebytečné teplo generované součástí musí být rozptýlen.
Kam tedy jde teplo?
Rozptýleno na chladnější místo, může to být sousední část systému a šasi, nebo to může být mimo šasi (možné pouze tehdy, když je venkovní teplota nižší než vnitřní teplota).
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: radiátory, tepelné trubice a ventilátory.
Radiátor a heatpipe jsou pasivní chladicí systémy bez napájení, zatímco ventilátor je aktivní systém chlazení nuceným vzduchem.
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 bylo dosaženo 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 zářič snadno používá, má některé nevýhody: 1. Zářič, který přenáší velké teplo, je velký, nákladný a těžký a musí být správně umístěn, což ovlivní nebo omezí fyzické uspořádání desky plošných spojů;
2. Žebra mohou být ucpána prachem v proudu vzduchu, což snižuje účinnost;
3. Musí být správně připojen ke zdroji tepla, aby teplo mohlo plynule proudit ze zdroje tepla do radiátoru.
Nakonec musí modelování vyřešit dva problémy:
1. 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.
2. Nedokonalé fyzické spojení mezi součástmi a povrchem miniaturního modelu, jako je fyzické spojení mezi horní částí IC pouzdra a chladičem.
Pokud má spoj malou vzdálenost, tepelný odpor této cesty se zvýší 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.
