Kuinka pitää lämpötila alhaisena: patterin valinta ja käyttöperusteet
Useimmat elektroniset komponentit, erityisesti mikroprosessorit ja mikro-ohjaimet, jatkavat lämpötiheyden kasvua, koska niiden koko pienenee jatkuvasti. Koska odotettavissa oleva käyttöikä, luotettavuus ja suorituskyky ovat kääntäen verrannollisia laitteen käyttölämpötilaan, tämän kehityksen seurauksena lämpösuunnittelusta ja -hallinnasta on tullut tärkeä suunnittelukysymys. Siksi suunnittelijan'n vastuulla on olla selkeä käsitys tehokkaasta lämmönhallinnasta ja saatavilla olevista patteriratkaisuista, jotta laitteiston käyttölämpötila pysyy toimittajan asettamissa rajoissa.
Jäähdyttimen toimintaperiaate on kasvattaa jäähdytysnesteelle (ilmalle) alttiina olevaa laitteen pinta-alaa. Jos patteri on asennettu oikein, se voi alentaa laitteiston lämpötilaa parantamalla lämmön siirtymistä kiinteän ilman rajan yli viileämpään ympäröivään ilmaan.
Tässä artikkelissa esitellään jäähdytyselementin valinta ja annetaan ohjeita oikeasta suunnittelusta, komponenttien valinnasta ja parhaista käytännöistä erinomaisen lämpösuorituskyvyn saavuttamiseksi. Siinä kuvataan myös esimerkkinä Ohmite':n patteriratkaisu. Useimmat elektroniset komponentit, erityisesti mikroprosessorit ja mikro-ohjaimet, jatkavat lämpötiheyden kasvua, koska niiden koko pienenee jatkuvasti. Koska odotettavissa oleva käyttöikä, luotettavuus ja suorituskyky ovat kääntäen verrannollisia laitteen käyttölämpötilaan, tämän kehityksen seurauksena lämpösuunnittelusta ja -hallinnasta on tullut tärkeä suunnittelukysymys. Siksi suunnittelijan'n vastuulla on olla selkeä käsitys tehokkaasta lämmönhallinnasta ja saatavilla olevista patteriratkaisuista, jotta laitteiston käyttölämpötila pysyy toimittajan asettamissa rajoissa.
Jäähdyttimen toimintaperiaate on kasvattaa jäähdytysnesteelle (ilmalle) alttiina olevaa laitteen pinta-alaa. Jos patteri on asennettu oikein, se voi alentaa laitteiston lämpötilaa parantamalla lämmön siirtymistä kiinteän ilman rajan yli viileämpään ympäröivään ilmaan.
Tässä artikkelissa esitellään jäähdytyselementin valinta ja annetaan ohjeita oikeasta suunnittelusta, komponenttien valinnasta ja parhaista käytännöistä erinomaisen lämpösuorituskyvyn saavuttamiseksi. Siinä kuvataan myös esimerkkinä Ohmite':n patteriratkaisu.
Integroidun piirin (IC) teho häviää lämmön muodossa aktiivisesta transistoriliitoksesta, ja liitoksen lämpötila on verrannollinen hajaantuneeseen tehoon. Valmistaja määrittelee liitoslämpötilan maksimilämpötilan, mutta se on yleensä noin 150°C. Tämän liitoslämpötilan ylittäminen aiheuttaa yleensä laitevaurioita, joten suunnittelijan on löydettävä keinot siirtää mahdollisimman paljon lämpöä IC:stä. Tätä varten he voivat luottaa melko yksinkertaiseen malliin lämpövirran mittaamiseksi. Tämä malli on samanlainen kuin Ohmin lain sähköinen laskenta, joka perustuu lämpövastuksen käsitteeseen, symbolilla θ.
Lämpövastus tarkoittaa vastusta, joka syntyy, kun lämpöä virtaa väliaineesta toiseen. Sen yksikkö on Celsius/Watt (°C/W), joka määritellään seuraavasti:
sisään:
θ on lämpöresistanssi lämpöesteen poikki yksikössä ℃/W. ∆T on lämpötilaero lämpöesteen yli ℃.
P on solmun hajoama teho watteina. IC:n ja jäähdytyselementin fyysisestä asettelusta lähtien on monia lämpörajapintoja. Ensimmäinen on liitoksen ja IC:n kotelon välissä ja sitä edustaa lämpöresistanssi θjc.
Jäähdytyselementti on sidottu IC:iin käyttämällä lämpörajapintamateriaalia (TIM), kuten lämpötahnaa tai lämpöteippiä lämmönjohtavuuden parantamiseksi kahden laitteen välillä. Tällä lämpöä johtavalla kerroksella on yleensä erittäin alhainen lämpövastus, joka on osa kuoresta jäähdytyselementtiin menevää lämpövastusta ja jota edustaa θcs. Viimeinen taso on säteilijän ja ympäröivän ympäristön välinen rajapinta, jota merkitään θsa.
Lämpövastus on kuin vastukset elektronisissa piireissä, jotka on kytketty sarjaan. Kaikkien lämpöresistanssien summa on kokonaislämpövastus risteyksestä ympäröivään ilmaan.
Yleensä IC-toimittajat määrittelevät implisiittisesti tai eksplisiittisesti lämpövastuksen liitoskohtaan. Tämä spesifikaatio voidaan antaa kotelon maksimilämpötilan muodossa, mikä eliminoi yhden lämpövastuselementeistä. Sovellus-IC:n suunnittelijalla ei ole valtaa kotelon liitoksen lämpöresistanssiominaisuuksiin. Suunnittelija voi kuitenkin valita TIM:n ja jäähdytyselementin ominaisuudet jäähdyttämään IC:n täysin ja pitämään liitoslämpötilan määritellyn enimmäislämpötilan alapuolella. Yleisesti ottaen mitä pienempi TIM:n ja jäähdytyselementin lämpövastus on, sitä alhaisempi on jäähdytettävän IC:n kotelon lämpötila.
Lämmönpoiston näkökulmasta patterin valinta on suhteellisen yksinkertaista. Kuten edellä mainittiin, Ohmite BG -sarjan jäähdytyselementti tarjoaa käyttökelpoisen ratkaisun BGA-pakettien IC:iden jäähdytysongelmaan.
