Thermal Management Technology Series: Power Cooling Management
Όταν οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί αναφέρουν τον όρο"διαχείριση ισχύος", οι περισσότεροι άνθρωποι σκέφτονται τους σωλήνες MOS, μετατροπείς, μετασχηματιστές κ.λπ.
Στην πραγματικότητα, η διαχείριση ενέργειας είναι κάτι πολύ περισσότερο από αυτό.
Το τροφοδοτικό θα παράγει θερμότητα όταν λειτουργεί και η συνεχής αύξηση της θερμοκρασίας θα προκαλέσει αλλαγές στην απόδοση, οι οποίες μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε βλάβες του συστήματος.
Επιπλέον, η θερμότητα θα μειώσει τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων και θα επηρεάσει τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.
Επομένως, η διαχείριση ενέργειας περιλαμβάνει και θερμική διαχείριση. Όσον αφορά τη θερμική διαχείριση, υπάρχουν δύο απόψεις που πρέπει να γίνουν κατανοητές:
& quot;Micro"|Πρόβλημα
Ένα μόνο εξάρτημα έχει υπερθερμανθεί λόγω υπερβολικής παραγωγής θερμότητας, αλλά η θερμοκρασία του υπόλοιπου συστήματος και της θήκης είναι εντός των ορίων.
& quot;Μακροεντολή"|Πρόβλημα
Η θερμοκρασία ολόκληρου του συστήματος είναι πολύ υψηλή λόγω της συσσώρευσης θερμότητας από πολλαπλές πηγές θερμότητας.
Ο μηχανικός πρέπει να προσδιορίσει πόσα από τα θέματα θερμικής διαχείρισης είναι μικρο και μακρο, και τον βαθμό συσχέτισης μεταξύ των δύο.
Η απλή κατανόηση είναι ότι ακόμα κι αν η αύξηση της θερμοκρασίας ενός στοιχείου που παράγει θερμότητα υπερβαίνει το επιτρεπόμενο όριο και προκαλεί τη θέρμανση ολόκληρου του συστήματος, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ολόκληρο το σύστημα υπερθερμαίνεται, αλλά η υπερβολική θερμότητα που παράγεται από το εξάρτημα πρέπει να να διαλυθεί.
Πού πάει λοιπόν η ζέστη;
Διασκορπισμένο σε ένα πιο κρύο μέρος, μπορεί να είναι το διπλανό μέρος του συστήματος και του πλαισίου ή μπορεί να είναι έξω από το πλαίσιο (μόνο όταν η εξωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από την εσωτερική θερμοκρασία).
Η θερμική διαχείριση ακολουθεί τις 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 εξαρτήματα ψύξης που χρησιμοποιούνται πιο συχνά: καλοριφέρ, σωλήνες θερμότητας και ανεμιστήρες.
Το ψυγείο 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: 1. Το ψυγείο που εκπέμπει 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.
2. Τα πτερύγια μπορεί να φράξουν από τη σκόνη στη ροή του αέρα, μειώνοντας την απόδοση.
3. Πρέπει να συνδεθεί σωστά στην πηγή θερμότητας, ώστε η θερμότητα να μπορεί να ρέει ομαλά από την πηγή θερμότητας στο καλοριφέρ.
Τέλος, η μοντελοποίηση πρέπει να λύσει δύο προβλήματα:
1. 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.
2. Η ατελής φυσική σύνδεση μεταξύ των εξαρτημάτων και της επιφάνειας 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 αντισταθμίσεις μεγέθους, ισχύος, απόδοσης, βάρους, αξιοπιστίας και κόστους. Η προτεραιότητα και οι περιορισμοί του έργου πρέπει να αξιολογηθούν.
