Hlavné riešenia tepelného manažmentu napájania
Tepelný manažment sa riadi základnými princípmi fyziky. Existujú tri spôsoby vedenia tepla: žiarenie, vedenie a konvekcia.
Pre väčšinu elektronických systémov je na dosiahnutie požadovaného chladenia najskôr nechať teplo opustiť zdroj tepla vedením a potom ho preniesť na iné miesta prúdením.
Pri vykonávaní tepelného návrhu je potrebné kombinovať rôzne hardvérové manažmenty pre efektívne dosiahnutie požadovaného vedenia a konvekcie.
Existujú tri najbežnejšie používané chladiace komponenty: chladiče, tepelné trubice a ventilátory.
Chladič a tepelná trubica sú pasívne chladiace systémy bez napájania, zatiaľ čo ventilátor je aktívny systém chladenia núteným vzduchom.
Radiátor je hliníková alebo medená konštrukcia, ktorá dokáže získať teplo zo zdroja tepla vedením a preniesť teplo do prúdu vzduchu (v niektorých prípadoch do vody alebo iných kvapalín), aby sa dosiahla konvekcia.
Chladiče prichádzajú v tisíckach veľkostí a tvarov, od malých lisovaných kovových rebier, ktoré spájajú jeden tranzistor, až po veľké výstupky s mnohými rebrami (prstami), ktoré dokážu zachytiť prúdenie vzduchu a prenášať doň teplo.
Radiátor má výhody bez pohyblivých častí, prevádzkových nákladov, poruchových režimov atď.
Po pripojení radiátora k zdroju tepla, ako teplý vzduch stúpa, prirodzene nastáva konvekcia, čím sa začína a pokračuje vytváranie prúdenia vzduchu.
Hoci sa radiátor ľahko používa, existujú určité nevýhody:
Radiátor, ktorý prenáša veľké teplo, je veľký, drahý a ťažký a musí byť správne umiestnený, čo ovplyvní alebo obmedzí fyzické usporiadanie dosky plošných spojov;
Rebrá môžu byť zablokované prachom v prúde vzduchu, čo znižuje účinnosť;
Musí byť správne napojený na zdroj tepla, aby teplo mohlo plynulo prúdiť zo zdroja tepla do radiátora.
Tepelné potrubie
Je to ďalšia dôležitá súčasť súpravy tepelného manažmentu, ktorá dokáže prenášať teplo z bodu A do bodu B bez akejkoľvek formy aktívneho silového mechanizmu.
Obsahuje sintrované jadro a utesnenú kovovú rúrku pracovnej tekutiny. Sám o sebe nepôsobí ako radiátor. Jeho funkciou je absorbovať teplo zo zdroja tepla a odovzdať ho do chladnejšej oblasti.
Tepelné trubice je možné použiť vtedy, keď v blízkosti zdroja tepla nie je dostatok miesta na umiestnenie radiátora alebo je prúdenie vzduchu nedostatočné. Tepelná trubica má vysokú pracovnú účinnosť a môže prenášať teplo zo zdroja na miesto, ktoré je vhodnejšie na správu.
Princíp jeho fungovania je jednoduchý a dômyselný:
Zdroj tepla premieňa pracovnú tekutinu na paru v utesnenej trubici a para prenáša teplo na chladnejší koniec tepelnej trubice. Na tomto konci para kondenzuje na kvapalinu a uvoľňuje teplo, zatiaľ čo kvapalina sa vracia do teplejšieho konca.
Tento proces transformácie plynu a kvapaliny prebieha nepretržite a je riadený iba teplotným rozdielom medzi studeným a horúcim koncom. Pripojenie chladiča alebo iného chladiaceho zariadenia na studenom konci môže vyriešiť problém rozptylu tepla miestnych horúcich miest, kde je blokovaný prúd vzduchu.
Ventilátor
Je to prvý krok smerom k aktívnemu chladiču s núteným vzduchom chladeným, okrem pasívnych radiátorov a tepelných trubíc, ale ventilátory majú aj nevýhody:
vysoké náklady, potreba priestoru, zvýšenie hluku systému;
Náchylné na poruchu, spotrebúvajú energiu a ovplyvňujú účinnosť celého systému
Ale v mnohých prípadoch, najmä ak je dráha prúdenia vzduchu zakrivená, vertikálna alebo nie je hladká, sú zvyčajne jediným spôsobom, ako dosiahnuť dostatočné prúdenie vzduchu.
Kľúčovým parametrom, ktorý definuje výkon ventilátora, je jednotková dĺžka alebo jednotkový objemový prietok vzduchu za minútu.
Problémom je však fyzická veľkosť: veľký ventilátor s nízkou rýchlosťou otáčania môže produkovať rovnaký prúd vzduchu ako malý ventilátor s vysokou rýchlosťou otáčania, takže existuje kompromis medzi veľkosťou a rýchlosťou.
Modelovanie a komplexná simulácia
Samostatné pasívne systémy sú rozmerovo väčšie, no spoľahlivejšie a efektívnejšie a ventilátory môžu hrať rolu v situáciách, keď sa pasívne chladenie nedá použiť samostatne.
Ktorý systém zvoliť na chladenie je často ťažké rozhodnutie.
V tejto chvíli je potrebné určiť, koľko chladiaceho vzduchu je potrebné a ako dosiahnuť chladenie pomocou modelovania a simulácie, čo je nevyhnutné pre efektívne stratégie tepelného manažmentu.
Pre miniatúrny model je zdroj tepla a jeho dráha tepelného toku charakteristický svojim tepelným odporom a tepelný odpor je určený použitým materiálom, kvalitou a veľkosťou.
Modelovanie ukazuje, ako teplo prúdi zo zdroja tepla a je tiež prvým krokom pri hodnotení komponentov, ktoré vlastným odvodom tepla spôsobujú tepelné havárie.
Napríklad dodávatelia zariadení, ako sú integrované obvody s vysokým rozptylom tepla, MOSFET a IGBT, zvyčajne poskytujú tepelné modely, ktoré môžu poskytnúť podrobnosti o tepelnej ceste od zdroja tepla k povrchu zariadenia.
Keď je známe tepelné zaťaženie každého komponentu, ďalším krokom je modelovanie na makro úrovni, čo je jednoduché aj zložité:
Upravte veľkosť prúdenia vzduchu cez rôzne zdroje tepla, aby ste udržali jeho teplotu pod povolenou hranicou; použite teplotu vzduchu, nevynútený prietok vzduchu, prietok vzduchu ventilátora a ďalšie faktory na vykonanie základných výpočtov na približné pochopenie teplotnej situácie.
Ďalším krokom je použitie modelu a umiestnenia každého zdroja tepla, PC dosky, povrchu škrupiny a ďalších faktorov na vykonanie komplexnejšieho modelovania celého produktu a jeho obalu.
Nakoniec, modelovanie musí vyriešiť dva problémy:
Problém špičkového a priemerného rozptylu. Napríklad súčiastka v ustálenom stave s trvalým tepelným rozptylom 1W a zariadenie s tepelným rozptylom 10W, ale s 10% prerušovaným pracovným cyklom majú rôzne tepelné účinky.
To znamená, že priemerný rozptyl tepla je rovnaký a súvisiaca tepelná hmota a tepelný tok budú produkovať rôzne rozvody tepla. Väčšina aplikácií CFD môže kombinovať statickú a dynamickú analýzu.
Nedokonalosť fyzického spojenia medzi povrchom komponentu a miniatúrnym modelom, ako je fyzické spojenie medzi vrchnou časťou IC obalu a chladičom.
Ak má spoj malú vzdialenosť, tepelný odpor tejto cesty sa zvýši a je potrebné vyplniť kontaktnú plochu tepelnou podložkou pre zvýšenie tepelnej vodivosti cesty.
Tepelný manažment môže znížiť teplotu komponentov v napájacom zdroji a vnútornom prostredí, čo môže predĺžiť životnosť produktu a zlepšiť spoľahlivosť.
Tepelný manažment je však integrovaný koncept, ak sa rozdelí na detaily, je to obrovská téma.
Zahŕňa kompromisy veľkosti, výkonu, účinnosti, hmotnosti, spoľahlivosti a ceny. Musí sa vyhodnotiť priorita a obmedzenia projektu.
