Οι κύριες λύσεις θερμικής διαχείρισης τροφοδοσίας
Η θερμική διαχείριση υπακούει στις βασικές αρχές της φυσικής. Υπάρχουν τρεις τρόποι αγωγής θερμότητας: η ακτινοβολία, η αγωγή και η μεταφορά.
Για τα περισσότερα ηλεκτρονικά συστήματα, για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ψύξη είναι πρώτα να αφήσετε τη θερμότητα να φύγει από την πηγή θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και στη συνέχεια να τη μεταφέρετε σε άλλα μέρη με συναγωγή.
Κατά την εκτέλεση θερμικής σχεδίασης, είναι απαραίτητο να συνδυαστούν διάφορα εξαρτήματα θερμικής διαχείρισης για την αποτελεσματική επίτευξη της απαιτούμενης αγωγιμότητας και μεταφοράς.
Υπάρχουν τρία πιο συχνά χρησιμοποιούμενα εξαρτήματα ψύξης: ψύκτρες, σωλήνες θερμότητας και ανεμιστήρες.
Η ψύκτρα και ο σωλήνας θερμότητας είναι συστήματα παθητικής ψύξης χωρίς τροφοδοσία ρεύματος, ενώ ο ανεμιστήρας είναι ένα ενεργητικό σύστημα εξαναγκασμένης ψύξης αέρα.
Το ψυγείο είναι μια κατασκευή από αλουμίνιο ή χαλκό που μπορεί να λάβει θερμότητα από μια πηγή θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και να μεταφέρει τη θερμότητα στη ροή του αέρα (σε ορισμένες περιπτώσεις, σε νερό ή άλλα υγρά) για να επιτύχει μεταφορά.
Οι ψύκτρες θερμότητας διατίθενται σε χιλιάδες μεγέθη και σχήματα, από μικρά σφραγισμένα μεταλλικά πτερύγια που συνδέουν ένα μόνο τρανζίστορ έως μεγάλα εξώθηση με πολλά πτερύγια (δάχτυλα) που μπορούν να παρεμποδίσουν τη ροή αέρα και να μεταφέρουν θερμότητα σε αυτό.
Το ψυγείο έχει τα πλεονεκτήματα ότι δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη, κόστος λειτουργίας, τρόποι αστοχίας κ.λπ.
Μόλις το ψυγείο συνδεθεί με την πηγή θερμότητας, καθώς ο θερμός αέρας ανεβαίνει, θα συμβεί φυσικά η μεταφορά, ξεκινώντας και συνεχίζοντας να σχηματίζει μια ροή αέρα.
Αν και το ψυγείο είναι εύκολο στη χρήση, υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα:
Το ψυγείο που μεταδίδει μεγάλη θερμότητα είναι μεγάλο, δαπανηρό και βαρύ και πρέπει να τοποθετηθεί σωστά, κάτι που θα επηρεάσει ή θα περιορίσει τη φυσική διάταξη της πλακέτας κυκλώματος.
Τα πτερύγια μπορεί να φράξουν από τη σκόνη στη ροή του αέρα, μειώνοντας την απόδοση.
Πρέπει να είναι σωστά συνδεδεμένο με την πηγή θερμότητας, έτσι ώστε η θερμότητα να μπορεί να ρέει ομαλά από την πηγή θερμότητας στο ψυγείο.
Σωλήνας θέρμανσης
Είναι ένα άλλο σημαντικό στοιχείο της σουίτας θερμικής διαχείρισης, το οποίο μπορεί να μεταφέρει θερμότητα από το σημείο Α στο σημείο Β χωρίς καμία μορφή ενεργού μηχανισμού εξαναγκασμού.
Περιέχει πυρήνα πυροσυσσωμάτωσης και σφραγισμένο μεταλλικό σωλήνα ρευστού εργασίας. Δεν λειτουργεί ως καλοριφέρ από μόνο του. Η λειτουργία του είναι να απορροφά θερμότητα από την πηγή θερμότητας και να τη μεταφέρει σε ψυχρότερη περιοχή.
Οι σωλήνες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν όταν δεν υπάρχει αρκετός χώρος κοντά στην πηγή θερμότητας για την τοποθέτηση του καλοριφέρ ή όταν η ροή αέρα είναι ανεπαρκής. Ο σωλήνας θερμότητας έχει υψηλή απόδοση εργασίας και μπορεί να μεταφέρει θερμότητα από την πηγή σε ένα μέρος που είναι πιο βολικό στη διαχείριση.
Η αρχή λειτουργίας του είναι απλή και έξυπνη:
Η πηγή θερμότητας μετατρέπει το ρευστό εργασίας σε ατμό στον σφραγισμένο σωλήνα και ο ατμός μεταφέρει τη θερμότητα στο ψυχρότερο άκρο του σωλήνα θερμότητας. Σε αυτό το άκρο, ο ατμός συμπυκνώνεται σε υγρό και απελευθερώνει θερμότητα, ενώ το ρευστό επιστρέφει στο θερμότερο άκρο.
Αυτή η διαδικασία μετατροπής αερίου-υγρού εκτελείται συνεχώς και καθοδηγείται μόνο από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ψυχρού και του θερμού άκρου. Η σύνδεση ενός καλοριφέρ ή άλλης συσκευής ψύξης στο κρύο άκρο μπορεί να λύσει το πρόβλημα απαγωγής θερμότητας των τοπικών καυτών σημείων όπου η ροή του αέρα εμποδίζεται.
Ανεμιστήρας
Είναι το πρώτο βήμα προς μια ενεργή ψύκτρα με εξαναγκασμένη ψύξη αέρα, εκτός από τα παθητικά καλοριφέρ και τους σωλήνες θερμότητας, αλλά οι ανεμιστήρες έχουν επίσης μειονεκτήματα:
υψηλό κόστος, ανάγκη χώρου, αύξηση του θορύβου του συστήματος.
Επιρρεπείς σε αστοχίες, καταναλώνουν ενέργεια και επηρεάζουν την απόδοση ολόκληρου του συστήματος
Αλλά σε πολλές περιπτώσεις, ειδικά όταν η διαδρομή ροής αέρα είναι καμπύλη, κάθετη ή όχι ομαλή, είναι συνήθως ο μόνος τρόπος για να αποκτήσετε επαρκή ροή αέρα.
Η βασική παράμετρος που καθορίζει τη χωρητικότητα ενός ανεμιστήρα είναι η μονάδα μήκους ή μοναδιαίου όγκου ροής αέρα ανά λεπτό.
Ωστόσο, το φυσικό μέγεθος είναι ένα πρόβλημα: ένας μεγάλος ανεμιστήρας με χαμηλή ταχύτητα περιστροφής μπορεί να παράγει την ίδια ροή αέρα με έναν μικρό ανεμιστήρα με υψηλή ταχύτητα περιστροφής, επομένως υπάρχει μια αντιστάθμιση μεταξύ μεγέθους και ταχύτητας.
Μοντελοποίηση και ολοκληρωμένη προσομοίωση
Τα χωριστά παθητικά συστήματα είναι μεγαλύτερα σε μέγεθος, αλλά πιο αξιόπιστα και αποτελεσματικά, και οι ανεμιστήρες μπορούν να παίξουν ρόλο σε καταστάσεις όπου η παθητική ψύξη δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνη της.
Ποιο σύστημα να επιλέξετε για ψύξη είναι συχνά μια δύσκολη απόφαση.
Αυτή τη στιγμή, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί πόση ποσότητα αέρα ψύξης χρειάζεται και πώς να επιτευχθεί ψύξη μέσω μοντελοποίησης και προσομοίωσης, κάτι που είναι απαραίτητο για αποτελεσματικές στρατηγικές θερμικής διαχείρισης.
Για το μικροσκοπικό μοντέλο, η πηγή θερμότητας και η διαδρομή ροής θερμότητας χαρακτηρίζονται από τη θερμική τους αντίσταση και η θερμική αντίσταση καθορίζεται από το υλικό, την ποιότητα και το μέγεθος που χρησιμοποιείται.
Η μοντελοποίηση δείχνει πώς ρέει η θερμότητα από την πηγή θερμότητας και είναι επίσης το πρώτο βήμα στην αξιολόγηση εξαρτημάτων που προκαλούν θερμικά ατυχήματα λόγω της δικής τους απαγωγής θερμότητας.
Για παράδειγμα, οι προμηθευτές συσκευών όπως τα IC υψηλής απαγωγής θερμότητας, τα MOSFET και τα IGBT συνήθως παρέχουν θερμικά μοντέλα που μπορούν να παρέχουν λεπτομέρειες για τη θερμική διαδρομή από την πηγή θερμότητας στην επιφάνεια της συσκευής.
Μόλις γίνει γνωστό το θερμικό φορτίο κάθε στοιχείου, το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση σε μακροεπίπεδο, το οποίο είναι απλό και σύνθετο:
Προσαρμόστε το μέγεθος της ροής του αέρα μέσω διαφόρων πηγών θερμότητας για να διατηρήσετε τη θερμοκρασία του κάτω από το επιτρεπόμενο όριο. χρησιμοποιήστε τη θερμοκρασία του αέρα, τη διαθέσιμη ροή χωρίς εξαναγκασμένη ροή αέρα, τη ροή αέρα του ανεμιστήρα και άλλους παράγοντες για να εκτελέσετε βασικούς υπολογισμούς για να κατανοήσετε χονδρικά την κατάσταση θερμοκρασίας.
Το επόμενο βήμα είναι να χρησιμοποιήσετε το μοντέλο και τη θέση κάθε πηγής θερμότητας, πλακέτας υπολογιστή, επιφάνειας κελύφους και άλλων παραγόντων για να εκτελέσετε πιο περίπλοκη μοντελοποίηση ολόκληρου του προϊόντος και της συσκευασίας του.
Τέλος, η μοντελοποίηση πρέπει να λύσει δύο προβλήματα:
Το πρόβλημα της αιχμής και της μέσης διάχυσης. Για παράδειγμα, ένα εξάρτημα σταθερής κατάστασης με συνεχή θερμική απαγωγή 1 W και μια συσκευή με θερμική απαγωγή 10 W αλλά με διαλείποντα κύκλο λειτουργίας 10% έχουν διαφορετικά θερμικά αποτελέσματα.
Δηλαδή, η μέση διάχυση θερμότητας είναι η ίδια και η σχετική μάζα θερμότητας και η ροή θερμότητας θα παράγουν διαφορετικές κατανομές θερμότητας. Οι περισσότερες εφαρμογές CFD μπορούν να συνδυάσουν στατική και δυναμική ανάλυση.
Η ατέλεια της φυσικής σύνδεσης μεταξύ της επιφάνειας του εξαρτήματος και του μικροσκοπικού μοντέλου, όπως η φυσική σύνδεση μεταξύ του επάνω μέρους της συσκευασίας IC και της ψύκτρας.
Εάν η σύνδεση έχει μικρή απόσταση, η θερμική αντίσταση αυτής της διαδρομής θα αυξηθεί και είναι απαραίτητο να γεμίσετε την επιφάνεια επαφής με ένα θερμικό μαξιλάρι για να ενισχύσετε τη θερμική αγωγιμότητα της διαδρομής.
Η θερμική διαχείριση μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία των εξαρτημάτων στο τροφοδοτικό και στο εσωτερικό περιβάλλον, γεγονός που μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του προϊόντος και να βελτιώσει την αξιοπιστία.
Αλλά η θερμική διαχείριση είναι μια ολοκληρωμένη έννοια, αν αναλυθεί στις λεπτομέρειες, είναι ένα τεράστιο θέμα.
Περιλαμβάνει τις ανταλλαγές μεγέθους, ισχύος, απόδοσης, βάρους, αξιοπιστίας και κόστους. Η προτεραιότητα και οι περιορισμοί του έργου πρέπει να αξιολογηθούν.
