Tehonsyötön tärkeimmät lämmönhallintaratkaisut

Lämmönhallinta noudattaa fysiikan perusperiaatteita. Lämmönjohtamiseen on kolme tapaa: säteily, johtuminen ja konvektio.

Useimmissa elektronisissa järjestelmissä vaaditun jäähdytyksen saavuttamiseksi lämmön annetaan ensin poistua lämmönlähteestä johtamalla ja sitten siirtää se muualle konvektiolla.

Lämpösuunnittelua suoritettaessa on tarpeen yhdistää erilaisia ​​lämmönhallintalaitteita, jotta vaadittu johtuminen ja konvektio saavutetaan tehokkaasti.

Yleisimmin käytettyjä jäähdytyskomponentteja on kolme: jäähdytyslevyt, lämpöputket ja tuulettimet.

Jäähdytyselementti ja lämpöputki ovat passiivisia jäähdytysjärjestelmiä ilman virransyöttöä, kun taas puhallin on aktiivinen pakkoilmajäähdytysjärjestelmä.

Patteri on alumiini- tai kuparirakenne, joka voi saada lämpöä lämmönlähteestä johtuen ja siirtää lämpöä ilmavirtaan (joissakin tapauksissa veteen tai muihin nesteisiin) konvektion aikaansaamiseksi.

Jäähdytyselementtejä on tuhansia kokoja ja muotoja, pienistä metallirivoista, jotka yhdistävät yhden transistorin, suuriin ekstruusioihin, joissa on useita ripoja (sormia), jotka voivat pysäyttää konvektiivisen ilmavirran ja siirtää lämpöä siihen.

Jäähdyttimen etuna ei ole liikkuvia osia, käyttökustannukset, vikatilat jne.

Kun patteri on liitetty lämmönlähteeseen, lämpimän ilman noustessa tapahtuu luonnollisesti konvektiota, jolloin ilmavirtaus alkaa ja jatkuu.

Vaikka jäähdytin on helppokäyttöinen, siinä on joitain haittoja:

• Lämpöä siirtävä patteri on suuri, kallis ja painava, ja se on sijoitettava oikein, mikä vaikuttaa piirilevyn fyysiseen asetelmaan tai rajoittaa sitä;

• 
  

• Ilmavirran pöly voi tukkia evät, mikä heikentää tehokkuutta;

• 
  

• Se on liitettävä kunnolla lämmönlähteeseen, jotta lämpö pääsee sujuvasti virtaamaan lämmönlähteestä patteriin.

Lämmitysputki

Se on toinen tärkeä lämmönhallintasarjan komponentti, joka voi siirtää lämpöä pisteestä A pisteeseen B ilman minkäänlaista aktiivista pakotusmekanismia.

Se sisältää sintratun ytimen ja suljetun metalliputken työnestettä. Se ei toimi sinänsä jäähdyttimenä. Sen tehtävänä on imeä lämpöä lämmönlähteestä ja siirtää se kylmempään paikkaan.

Lämpöputkia voidaan käyttää, kun lämmönlähteen lähellä ei ole tarpeeksi tilaa patterin sijoittamiselle tai ilmavirta on riittämätön. Lämpöputken käyttöteho on korkea ja se voi siirtää lämpöä lähteestä helpommin hallittavaan paikkaan.

Sen toimintaperiaate on yksinkertainen ja nerokas:

Lämmönlähde muuttaa työnesteen höyryksi suljetussa putkessa ja höyry siirtää lämmön lämpöputken kylmempään päähän. Tässä lopussa höyry tiivistyy nesteeksi ja vapauttaa lämpöä, kun taas neste palaa kuumempaan päähän.

Tämä kaasu-neste-muunnosprosessi toimii jatkuvasti ja sitä ohjaa vain kylmän ja kuuman pään välinen lämpötilaero. Lämpöpatterin tai muun jäähdytyslaitteen liittäminen kylmään päähän voi ratkaista paikallisten kuumapisteiden lämmönpoisto-ongelman, jossa ilmavirtaus on estetty.

Tuuletin

Se on ensimmäinen askel kohti pakotettua ilmajäähdytteistä aktiivista jäähdytyselementtiä passiivisten patterien ja lämpöputkien lisäksi, mutta puhaltimilla on myös haittoja:

korkeat kustannukset, tarvitsevat tilaa, lisäävät järjestelmän melua;

Altti vikaantumiseen, kuluttaa energiaa ja vaikuttaa koko järjestelmän tehokkuuteen

Mutta monissa tapauksissa, varsinkin kun ilmavirtausreitti on kaareva, pystysuora tai epätasainen, ne ovat yleensä ainoa tapa saada riittävä ilmavirta.

Avainparametri, joka määrittää puhaltimen tehon, on ilman yksikköpituus tai yksikkötilavuusvirtaus minuutissa.

Fyysinen koko on kuitenkin ongelma: suuri puhallin pienellä pyörimisnopeudella voi tuottaa saman ilmavirran kuin pieni puhallin, jolla on suuri pyörimisnopeus, joten koon ja nopeuden välillä on kompromissi.

Mallintaminen ja kattava simulointi

Erilliset passiiviset järjestelmät ovat kooltaan suurempia, mutta luotettavampia ja tehokkaampia, ja puhaltimilla voi olla rooli tilanteissa, joissa passiivista jäähdytystä ei voida käyttää yksinään.

Mikä järjestelmä valita jäähdytykseen, on usein vaikea päätös.

Tällä hetkellä on tarpeen määrittää, kuinka paljon jäähdytysilmaa tarvitaan ja kuinka jäähdytys saadaan aikaan mallintamisen ja simuloinnin avulla, mikä on välttämätöntä tehokkaiden lämmönhallintastrategioiden kannalta.

Pienoismallissa lämmönlähteelle ja sen lämmönvirtauspolulle on tunnusomaista niiden lämpövastus, ja lämpövastus määräytyy käytetyn materiaalin, laadun ja koon mukaan.

Mallintaminen näyttää, kuinka lämpöä virtaa lämmönlähteestä ja se on myös ensimmäinen askel arvioitaessa komponentteja, jotka aiheuttavat lämpöonnettomuuksia omasta lämmönhajoamisestaan.

Esimerkiksi laitetoimittajat, kuten suuren lämpöä hajoavat IC:t, MOSFETit ja IGBT:t, tarjoavat yleensä lämpömalleja, jotka voivat tarjota yksityiskohtia lämpöreitistä lämmönlähteestä laitteen pintaan.

Kun kunkin komponentin lämpökuorma on tiedossa, seuraava vaihe on mallinnus makrotasolla, joka on sekä yksinkertainen että monimutkainen:

Säädä ilmavirran kokoa eri lämmönlähteiden läpi niin, että sen lämpötila pysyy sallitun rajan alapuolella; käytä ilman lämpötilaa, pakottamatonta ilmavirtausta, tuulettimen ilmavirtaa ja muita tekijöitä peruslaskelmien suorittamiseen lämpötilatilanteen karkeasti ymmärtämiseksi.

Seuraava askel on käyttää kunkin lämmönlähteen mallia ja sijaintia, PC-levyä, kuoren pintaa ja muita tekijöitä koko tuotteen ja sen pakkauksen monimutkaisempaa mallintamista varten.

Lopuksi mallintamisen on ratkaistava kaksi ongelmaa:

Huippu- ja keskimääräisen hajoamisen ongelma. Esimerkiksi vakaan tilan komponentilla, jonka jatkuva lämpöhäviö on 1 W, ja laitteella, jonka lämpöhäviö on 10 W, mutta jonka käyttöjakso on 10 %, on erilaisia ​​lämpövaikutuksia.

Toisin sanoen keskimääräinen lämmönhäviö on sama ja siihen liittyvä lämpömassa ja lämpövirta tuottaa erilaisia ​​lämmönjakaumia. Useimmat CFD-sovellukset voivat yhdistää staattisen ja dynaamisen analyysin.

Komponentin pinnan ja pienoismallin välisen fyysisen yhteyden epätäydellisyys, kuten IC-paketin yläosan ja jäähdytyselementin välinen fyysinen yhteys.

Jos liitännällä on pieni etäisyys, tämän polun lämpövastus kasvaa ja kosketuspinta on täytettävä lämpötyynyllä polun lämmönjohtavuuden parantamiseksi.

Lämmönhallinta voi alentaa komponenttien lämpötilaa virtalähteessä ja sisäisessä ympäristössä, mikä voi pidentää tuotteen käyttöikää ja parantaa luotettavuutta.

Mutta lämmönhallinta on integroitu konsepti, jos se jaetaan yksityiskohtiin, se on valtava aihe.

Se sisältää koon, tehon, tehokkuuden, painon, luotettavuuden ja kustannusten kompromisseja. Hankkeen prioriteetti ja rajoitteet on arvioitava.