Napájecí zdroj během provozu generuje teplo a neustálý nárůst teploty způsobí změny výkonu, které mohou nakonec vést k selhání systému; kromě toho teplo také zkrátí životnost součástí a ovlivní dlouhodobou spolehlivost.
Součást generující teplo, i když nárůst teploty překročí svou povolenou mez, způsobí zahřátí celého systému, nemusí to nutně znamenat přehřátí celého systému, ale přebytečné teplo generované součástí musí být odvedeno.
Kam tedy jde teplo?
Rozptýlit na chladnější místo, buď v blízkosti systému a skříně, nebo vně skříně (možné pouze v případě, že je vnější strana chladnější než vnitřek).
Řešení tepelného managementu
Tepelné hospodářství se řídí základními fyzikálními principy a existují tři způsoby vedení tepla: sálání, vedení a proudění.
U většiny elektronických systémů je požadovaného chlazení dosaženo vedením tepla pryč od zdroje tepla a jeho následným přenosem jinam konvekcí.
Tepelný design vyžaduje kombinaci různého hardwaru pro řízení teploty, aby bylo efektivně dosaženo požadované vodivosti a konvekce.
Existují tři nejběžněji používané chladicí prvky: chladiče, tepelné trubice a ventilátory.
Chladiče a tepelné trubice jsou pasivní chladicí systémy, které nevyžadují napájení, zatímco ventilátory jsou aktivním systémem chlazení nuceným vzduchem.
chladič
Chladič je hliníková nebo měděná konstrukce, která zachycuje teplo ze zdroje tepla vedením a přenáší teplo do proudu vzduchu (v některých případech vody nebo jiných kapalin) pro konvekci.
Různé typy radiátorů
Chladiče mají tisíce velikostí a tvarů, od malých lisovaných kovových žeber, které spojují jednotlivé tranzistory, až po velké výlisky s mnoha žebry (prsty), které zachycují konvekční proudění vzduchu a přenášejí teplo do tohoto proudu vzduchu.
Chladiče mají tu výhodu, že nemají žádné pohyblivé části, provozní náklady, režimy poruch a další.
Jakmile je chladič připojen ke zdroji tepla, dochází přirozeně ke konvekci, jak teplý vzduch stoupá, začíná a pokračuje ve vytváření proudění vzduchu.
Přestože se chladiče snadno používají, mají některé nevýhody:
1. Chladiče, které přenášejí velké množství tepla, jsou objemné, nákladné a těžké a musí být umístěny správně, což ovlivní nebo omezí fyzické uspořádání desky plošných spojů;
2. Žebra mohou být zablokována prachem v proudu vzduchu, což snižuje účinnost;
3. 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 přenáší teplo z bodu A do bodu B bez jakékoli formy aktivního silového mechanismu.
Obsahuje slinuté jádro a utěsněnou kovovou trubici s pracovní kapalinou, která sama o sobě nepůsobí jako chladič, ale pohlcuje teplo ze zdroje tepla a předává ho do chladnější oblasti.
Tepelné trubice lze použít, když není dostatek místa pro chladič v blízkosti zdroje tepla nebo když je nedostatečné proudění vzduchu.
Tepelné trubky fungují efektivně a přenášejí teplo ze zdroje na lépe ovladatelné místo.
pracovní princip:
Zdroj tepla přeměňuje pracovní tekutinu na páru v utěsněné trubici a pára přenáší teplo do chladnějšího konce tepelné trubice. Na tomto konci pára kondenzuje na kapalinu a uvolňuje teplo a kapalina se vrací do teplejšího konce.
Tento proces přechodu plyn-kapalina probíhá nepřetržitě a je řízen pouze teplotním rozdílem mezi studeným a horkým koncem.
Připojení chladiče nebo jiného chladicího zařízení na studeném konci může vyřešit problém rozptylu tepla z lokalizovaných horkých míst, kde je proudění vzduchu blokováno.
fanoušek
Je to první krok k aktivnímu chlazení s nuceným vzduchem chlazeným zařízením, vyřazením pasivních radiátorů a tepelných trubek, ale ventilátory mají také své vlastní bolesti hlavy:
1. Zvýšit náklady, vyžadovat prostor a zvýšit hlučnost systému;
2. Je náchylný k poruchám, spotřebovává energii a ovlivňuje účinnost celého systému.
Ale v mnoha případech, zvláště když je dráha proudění vzduchu zakřivená, svislá nebo ucpaná, jsou často jediným způsobem, jak dosáhnout dostatečného proudění vzduchu.
Klíčovým parametrem, který určuje výkon ventilátoru, je délka jednotky nebo jednotkový objemový průtok vzduchu za minutu.
Problémem je však fyzická velikost: velký ventilátor při nízké rychlosti může produkovat stejný proud vzduchu jako malý ventilátor při vysoké rychlosti, takže existuje kompromis mezi velikostí a rychlostí.
Modelování a komplexní simulace
Samostatné pasivní systémy jsou větší, ale jsou spolehlivější a účinnější, zatímco ventilátory mohou fungovat v situacích, kdy nelze použít pouze pasivní chlazení.
Jaký systém zvolit pro chlazení může být často těžké rozhodnutí.
Zde je zapotřebí modelování a simulace, aby se určilo, kolik chlazení je potřeba a jak toho dosáhnout, což je rozhodující pro efektivní strategii tepelného managementu.
U miniaturních modelů se zdroje tepla a jejich cesty pro tok tepla vyznačují tepelným odporem, který je dán použitým materiálem, hmotností a velikostí.
Modelování, které ukazuje, jak teplo proudí ze zdroje tepla, je také prvním krokem při vyhodnocování komponent, které způsobují tepelnou poruchu v důsledku jejich vlastního rozptylu tepla.
Dodavatelé zařízení, jako jsou integrované obvody s vysokým rozptylem tepla, MOSFETy a IGBT, často poskytují tepelné modely, které poskytují podrobnosti o tepelné cestě od zdroje tepla k povrchu zařízení.
Jakmile jsou známa tepelná zatížení různých komponent, dalším krokem je modelování na makro úrovni, což je stejně jednoduché jako složité:
Proud vzduchu z různých zdrojů tepla je dimenzován tak, aby jeho teplota byla pod přípustnými limity; základní výpočty se provádějí pomocí teploty vzduchu, dostupného nevynuceného proudění vzduchu, proudění vzduchu ventilátorem a dalších faktorů, abyste získali přibližnou představu o teplotních podmínkách.
Následuje složitější modelování celého produktu a jeho obalu pomocí modelu a umístění jednotlivých zdrojů tepla, PC desky, povrchu skříně a dalších faktorů.
Nakonec musí modelování vyřešit dva problémy:
1. Problém špičkového a průměrného rozptylu. Například součást v ustáleném stavu, která nepřetržitě odvádí 1 W tepla, má jiný tepelný dopad než zařízení, které rozptyluje 10 W tepla, ale má 10% přerušovaný pracovní cyklus.
To znamená, že průměrný rozptyl tepla je stejný a související tepelná hmota a tepelný tok budou produkovat různé distribuce tepla. Většinu aplikací CFD lze analyzovat kombinací statické a dynamické.
2. Nedokonalosti fyzických spojení mezi součástmi a povrchy mikromodelů, jako je fyzické spojení mezi horní částí pouzdra integrovaného obvodu a chladičem.
Pokud má spoj malou rozteč, tepelný odpor této cesty se zvýší a je nutné vyplnit tepelnou podložku na kontaktní ploše 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.
