Το τροφοδοτικό παράγει θερμότητα κατά τη λειτουργία και η συνεχής αύξηση της θερμοκρασίας θα προκαλέσει αλλαγές στην απόδοση, οι οποίες μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε αστοχία του συστήματος. Επιπλέον, η θερμότητα θα μειώσει επίσης τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων και θα επηρεάσει τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.
Ένα συστατικό που παράγει θερμότητα, ακόμα κι αν η αύξηση της θερμοκρασίας υπερβαίνει το επιτρεπόμενο όριο, προκαλεί θέρμανση ολόκληρου του συστήματος, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ολόκληρο το σύστημα υπερθερμαίνεται, αλλά η περίσσεια θερμότητας που παράγεται από το εξάρτημα πρέπει να διαχέεται.
Πού πάει λοιπόν η ζέστη;
Διασκορπίστε σε μια πιο δροσερή τοποθεσία, είτε δίπλα στο σύστημα και τη θήκη, είτε έξω από τη θήκη (μόνο εάν το εξωτερικό είναι πιο δροσερό από το εσωτερικό).
Λύσεις Θερμικής Διαχείρισης
Η θερμική διαχείριση ακολουθεί τις βασικές αρχές της φυσικής και υπάρχουν τρεις τρόποι μεταφοράς της θερμότητας: ακτινοβολία, αγωγιμότητα και μεταφορά.
Για τα περισσότερα ηλεκτρονικά συστήματα, η απαιτούμενη ψύξη επιτυγχάνεται μεταφέροντας τη θερμότητα μακριά από την πηγή θερμότητας και στη συνέχεια μεταφέροντάς την αλλού με συναγωγή.
Ο θερμικός σχεδιασμός απαιτεί συνδυασμό διαφόρων υλισμικών διαχείρισης θερμότητας για την αποτελεσματική επίτευξη της απαιτούμενης αγωγιμότητας και μεταφοράς.
Υπάρχουν τρία πιο συχνά χρησιμοποιούμενα ψυκτικά στοιχεία: ψύκτρες, σωλήνες θερμότητας και ανεμιστήρες.
Οι ψύκτρες και οι σωλήνες θερμότητας είναι συστήματα παθητικής ψύξης που δεν απαιτούν παροχή ρεύματος, ενώ οι ανεμιστήρες είναι ένα σύστημα ενεργού εξαναγκασμένης ψύξης αέρα.
ψύκτρα
Η ψύκτρα είναι μια κατασκευή από αλουμίνιο ή χαλκό που συλλαμβάνει τη θερμότητα από μια πηγή θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και μεταφέρει τη θερμότητα σε μια ροή αέρα (σε ορισμένες περιπτώσεις, νερό ή άλλα υγρά) για μεταφορά.
Διάφοροι τύποι καλοριφέρ
Οι ψύκτρες θερμότητας διατίθενται σε χιλιάδες μεγέθη και σχήματα, από μικρά σφραγισμένα μεταλλικά πτερύγια που συνδέουν μεμονωμένα τρανζίστορ έως μεγάλα εξώθηση με πολλά πτερύγια (δάχτυλα) που παρεμποδίζουν τη ροή αέρα και μεταφέρουν θερμότητα σε αυτήν τη ροή αέρα.
Οι ψύκτρες έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν έχουν κινούμενα μέρη, κόστος λειτουργίας, λειτουργίες αστοχίας και πολλά άλλα.
Μόλις η ψύκτρα συνδεθεί με την πηγή θερμότητας, η μεταφορά πραγματοποιείται φυσικά καθώς ο θερμός αέρας ανεβαίνει, αρχίζοντας και συνεχίζοντας να δημιουργεί ροή αέρα.
Αν και οι ψύκτρες είναι εύχρηστες, υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα:
1. Οι ψύκτρες που μεταδίδουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας είναι ογκώδεις, δαπανηρές και βαριές και πρέπει να τοποθετηθούν σωστά, γεγονός 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 είναι σωστά συνδεδεμένο με την πηγή θερμότητας, ώστε η θερμότητα να μπορεί να ρέει ομαλά από την πηγή θερμότητας στο καλοριφέρ.
Σωλήνας θέρμανσης
Είναι ένα άλλο σημαντικό συστατικό του κιτ θερμικής διαχείρισης, που μεταφέρει θερμότητα από το σημείο Α στο σημείο Β χωρίς καμία μορφή ενεργού μηχανισμού εξαναγκασμού.
Περιέχει έναν πυρήνα και έναν σφραγισμένο μεταλλικό σωλήνα ρευστού εργασίας που δεν λειτουργεί ως ψύκτρα, αλλά απορροφά τη θερμότητα από μια πηγή θερμότητας και τη μεταφέρει σε μια πιο δροσερή περιοχή.
Οι σωλήνες θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν όταν δεν υπάρχει αρκετός χώρος για μια ψύκτρα κοντά στην πηγή θερμότητας ή όταν υπάρχει ανεπαρκής ροή αέρα.
Οι σωλήνες θερμότητας λειτουργούν αποτελεσματικά και μεταφέρουν θερμότητα από την πηγή σε μια πιο διαχειρίσιμη τοποθεσία.
αρχή λειτουργίας:
Η πηγή θερμότητας μετατρέπει το ρευστό εργασίας σε ατμό μέσα στον σφραγισμένο σωλήνα και ο ατμός μεταφέρει θερμότητα στο ψυχρότερο άκρο του σωλήνα θερμότητας. Σε αυτό το άκρο, ο ατμός συμπυκνώνεται σε υγρό και απελευθερώνει θερμότητα και το ρευστό επιστρέφει στο θερμότερο άκρο.
Αυτή η διαδικασία μετάβασης κατάστασης αερίου-υγρού εκτελείται συνεχώς και καθοδηγείται μόνο από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ψυχρού και του θερμού άκρου.
Η σύνδεση μιας ψύκτρας ή άλλης συσκευής ψύξης στο κρύο άκρο μπορεί να λύσει το πρόβλημα της απαγωγής θερμότητας από τοπικά θερμά σημεία όπου η ροή του αέρα εμποδίζεται.
ανεμιστήρας
Είναι το πρώτο βήμα προς μια συσκευή ενεργού ψύξης με εξαναγκασμένη αερόψυξη, που απομακρύνει τα παθητικά καλοριφέρ και τους σωλήνες θερμότητας, αλλά οι ανεμιστήρες έχουν επίσης τους δικούς τους πονοκεφάλους:
1. Αυξήστε το κόστος, απαιτήστε χώρο και αυξήστε τον θόρυβο του συστήματος.
2. Είναι επιρρεπής σε αστοχία, καταναλώνει ενέργεια και επηρεάζει την απόδοση ολόκληρου του συστήματος.
Αλλά σε πολλές περιπτώσεις, ειδικά όταν η διαδρομή ροής αέρα είναι καμπύλη, κάθετη ή παρεμποδισμένη, είναι συχνά ο μόνος τρόπος για να έχετε επαρκή ροή αέρα.
Η βασική παράμετρος που καθορίζει τη χωρητικότητα ενός ανεμιστήρα είναι το μήκος της μονάδας ή η μονάδα όγκου ροής αέρα ανά λεπτό.
Ωστόσο, το φυσικό μέγεθος είναι ένα πρόβλημα: ένας μεγάλος ανεμιστήρας σε χαμηλή ταχύτητα μπορεί να παράγει την ίδια ροή αέρα με έναν μικρό ανεμιστήρα σε υψηλή ταχύτητα, επομένως υπάρχει αντιστάθμιση μεγέθους-ταχύτητας.
Μοντελοποίηση και Ολοκληρωμένη Προσομοίωση
Τα αυτόνομα παθητικά συστήματα είναι μεγαλύτερα σε μέγεθος αλλά είναι πιο αξιόπιστα και αποτελεσματικά, ενώ οι ανεμιστήρες μπορούν να λειτουργήσουν σε καταστάσεις όπου η παθητική ψύξη από μόνη της δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
Ποιο σύστημα να επιλέξετε για ψύξη μπορεί συχνά να είναι μια δύσκολη απόφαση.
Εδώ χρειάζεται μοντελοποίηση και προσομοίωση για να προσδιοριστεί πόση ψύξη χρειάζεται και πώς να επιτευχθεί, κάτι που είναι κρίσιμο για μια αποτελεσματική στρατηγική θερμικής διαχείρισης.
Για τα μικροσκοπικά μοντέλα, οι πηγές θερμότητας και οι διαδρομές τους για τη ροή θερμότητας χαρακτηρίζονται από τη θερμική τους αντίσταση, η οποία καθορίζεται από το υλικό, τη μάζα και το μέγεθος που χρησιμοποιείται.
Η μοντελοποίηση που δείχνει πώς ρέει η θερμότητα από την πηγή θερμότητας είναι επίσης το πρώτο βήμα για την αξιολόγηση των εξαρτημάτων που προκαλούν θερμική αστοχία λόγω της δικής τους απαγωγής θερμότητας.
Οι προμηθευτές συσκευών όπως τα IC υψηλής απαγωγής θερμότητας, τα MOSFET και τα IGBT παρέχουν συχνά θερμικά μοντέλα που παρέχουν λεπτομέρειες της θερμικής διαδρομής από την πηγή θερμότητας στην επιφάνεια της συσκευής.
Μόλις γίνουν γνωστά τα θερμικά φορτία των διαφόρων στοιχείων, το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση σε μακροεπίπεδο, το οποίο είναι τόσο απλό όσο και πολύπλοκο:
Η ροή αέρα από διάφορες πηγές θερμότητας έχει μέγεθος ώστε να διατηρεί τη θερμοκρασία του κάτω από τα επιτρεπόμενα όρια. Οι βασικοί υπολογισμοί εκτελούνται χρησιμοποιώντας τη θερμοκρασία του αέρα, τη διαθέσιμη μη εξαναγκασμένη ροή αέρα, τη ροή αέρα του ανεμιστήρα και άλλους παράγοντες για να έχετε μια γενική ιδέα για τις συνθήκες θερμοκρασίας.
Στη συνέχεια ακολουθεί μια πιο περίπλοκη μοντελοποίηση ολόκληρου του προϊόντος και της συσκευασίας του χρησιμοποιώντας το μοντέλο και τη θέση κάθε πηγής θερμότητας, την πλακέτα υπολογιστή, την επιφάνεια της θήκης και άλλους παράγοντες.
Τέλος, η μοντελοποίηση πρέπει να λύσει δύο προβλήματα:
1. Το πρόβλημα της αιχμής και της μέσης διάχυσης. Για παράδειγμα, ένα εξάρτημα σταθερής κατάστασης που διαχέει συνεχώς 1 W θερμότητας έχει διαφορετική θερμική επίδραση από μια συσκευή που διαχέει 10 W θερμότητας αλλά έχει 10 τοις εκατό διακοπτόμενο κύκλο λειτουργίας.
Αυτό σημαίνει ότι η μέση απαγωγή θερμότητας είναι η ίδια και η σχετική θερμική μάζα και η ροή θερμότητας θα παράγουν διαφορετικές κατανομές θερμότητας. Οι περισσότερες εφαρμογές CFD μπορούν να αναλυθούν με συνδυασμό στατικής και δυναμικής.
2. Ατέλειες στις φυσικές συνδέσεις μεταξύ εξαρτημάτων και επιφανειών μικρομοντέλων, όπως η φυσική σύνδεση μεταξύ του επάνω μέρους της συσκευασίας IC και της ψύκτρας.
Εάν η σύνδεση έχει μικρό βήμα, η θερμική αντίσταση αυτής της διαδρομής θα αυξηθεί και είναι απαραίτητο να γεμίσετε το θερμικό μαξιλάρι στην επιφάνεια επαφής 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.
