Principalele soluții de management termic al alimentării cu energie electrică
Managementul termic respectă principiile de bază ale fizicii. Există trei moduri de conducere a căldurii: radiație, conducție și convecție.
Pentru majoritatea sistemelor electronice, pentru a obține răcirea necesară este să lăsați mai întâi căldura să părăsească sursa de căldură prin conducție și apoi să o transferați în alte locuri prin convecție.
Când se efectuează proiectarea termică, este necesar să se combine diverse hardware de management termic pentru a obține în mod eficient conducția și convecția necesare.
Există trei componente de răcire cel mai frecvent utilizate: radiatoare, conducte de căldură și ventilatoare.
Radiatorul de căldură și conducta de căldură sunt sisteme de răcire pasive fără alimentare cu energie, în timp ce ventilatorul este un sistem activ de răcire cu aer forțat.
Radiatorul este o structură din aluminiu sau cupru care poate obține căldură de la o sursă de căldură prin conducție și poate transfera căldura în fluxul de aer (în unele cazuri, în apă sau alte lichide) pentru a obține convecția.
Radiatoarele de căldură vin în mii de dimensiuni și forme, de la mici aripioare metalice ștanțate care conectează un singur tranzistor la extruzii mari cu multe aripioare (degete) care pot intercepta fluxul de aer convectiv și pot transfera căldură către acesta.
Radiatorul are avantajele lipsei de piese în mișcare, costuri de operare, moduri de defecțiune etc.
Odată ce radiatorul este conectat la sursa de căldură, pe măsură ce aerul cald se ridică, convecția va avea loc în mod natural, începând și continuând să formeze un flux de aer.
Deși radiatorul este ușor de utilizat, există câteva dezavantaje:
Radiatorul care transmite căldură mare este mare, costisitor și greu și trebuie amplasat corect, ceea ce va afecta sau limita aspectul fizic al plăcii de circuite;
Aripioarele pot fi blocate de praful din fluxul de aer, reducând eficiența;
Trebuie să fie conectat corespunzător la sursa de căldură, astfel încât căldura să poată curge lin de la sursa de căldură la calorifer.
Țeavă de căldură
Este o altă componentă importantă a suitei de management termic, care poate transfera căldură din punctul A în punctul B fără nicio formă de mecanism de forțare activ.
Conține un miez sinterizat și un tub metalic etanș de fluid de lucru. Nu acționează ca un radiator de la sine. Funcția sa este de a absorbi căldura de la sursa de căldură și de a o transfera într-o zonă mai rece.
Conductele de căldură pot fi folosite atunci când în apropierea sursei de căldură nu există suficient spațiu pentru a amplasa radiatorul sau debitul de aer este insuficient. Conducta de căldură are o eficiență ridicată de lucru și poate transfera căldură de la sursă într-un loc mai convenabil de gestionat.
Principiul său de funcționare este simplu și ingenios:
Sursa de căldură transformă fluidul de lucru în abur în tubul etanș, iar aburul transferă căldura la capătul mai rece al conductei de căldură. La acest capăt, vaporii se condensează în lichid și eliberează căldură, în timp ce fluidul se întoarce la capătul mai fierbinte.
Acest proces de transformare gaz-lichid rulează continuu și este condus doar de diferența de temperatură dintre capătul rece și capătul fierbinte. Conectarea unui radiator sau alt dispozitiv de răcire la capătul rece poate rezolva problema de disipare a căldurii a punctelor fierbinți locale în care fluxul de aer este blocat.
Ventilator
Este primul pas către un radiator activ răcit cu aer forțat, în afară de radiatoarele pasive și conductele de căldură, dar ventilatoarele au și dezavantaje:
cost ridicat, nevoie de spațiu, creșterea zgomotului sistemului;
Predispus la defecțiuni, consumă energie și afectează eficiența întregului sistem
Dar, în multe cazuri, mai ales când calea fluxului de aer este curbată, verticală sau nu netedă, acestea sunt de obicei singura modalitate de a obține un flux de aer suficient.
Parametrul cheie care definește capacitatea unui ventilator este lungimea unității sau debitul volumului unitar al aerului pe minut.
Cu toate acestea, dimensiunea fizică este o problemă: un ventilator mare cu o viteză mică de rotație poate produce același flux de aer ca un ventilator mic cu o viteză mare de rotație, deci există un compromis între dimensiune și viteză.
Modelare și simulare cuprinzătoare
Sistemele pasive separate au dimensiuni mai mari, dar mai fiabile și mai eficiente, iar ventilatoarele pot juca un rol în situațiile în care răcirea pasivă nu poate fi utilizată singură.
Ce sistem să alegeți pentru răcire este adesea o decizie dificilă.
În acest moment, este necesar să se determine cât de mult aer de răcire este necesar și cum se realizează răcirea prin modelare și simulare, ceea ce este esențial pentru strategiile eficiente de management termic.
Pentru modelul în miniatură, sursa de căldură și calea de curgere a acesteia se caracterizează prin rezistența lor termică, iar rezistența termică este determinată de materialul, calitatea și dimensiunea utilizată.
Modelarea arată cum curge căldura din sursa de căldură și este, de asemenea, primul pas în evaluarea componentelor care provoacă accidente termice din cauza propriei disipări de căldură.
De exemplu, furnizorii de dispozitive, cum ar fi circuitele integrate cu disipare ridicată a căldurii, MOSFET-urile și IGBT-urile oferă de obicei modele termice care pot oferi detalii despre calea termică de la sursa de căldură la suprafața dispozitivului.
Odată ce sarcina termică a fiecărei componente este cunoscută, următorul pas este modelarea la nivel macro, care este atât simplu, cât și complex:
Reglați dimensiunea fluxului de aer prin diferite surse de căldură pentru a-și menține temperatura sub limita admisă; utilizați temperatura aerului, fluxul de aer neforțat debitul disponibil, fluxul de aer al ventilatorului și alți factori pentru a efectua calcule de bază pentru a înțelege aproximativ situația temperaturii.
Următorul pas este să utilizați modelul și locația fiecărei surse de căldură, placă de computer, suprafață carcasă și alți factori pentru a realiza modelarea mai complexă a întregului produs și a ambalajului acestuia.
În cele din urmă, modelarea trebuie să rezolve două probleme:
Problema disipării de vârf și medie. De exemplu, o componentă în stare staționară cu o disipare termică continuă de 1 W și un dispozitiv cu o disipare termică de 10 W, dar cu un ciclu de lucru intermitent de 10% au efecte termice diferite.
Adică, disiparea medie a căldurii este aceeași, iar masa de căldură aferentă și fluxul de căldură vor produce distribuții diferite de căldură. Majoritatea aplicațiilor CFD pot combina analiza statică și dinamică.
Imperfecțiunea conexiunii fizice dintre suprafața componentei și modelul în miniatură, cum ar fi conexiunea fizică dintre partea superioară a pachetului IC și radiatorul.
Dacă conexiunea are o distanță mică, rezistența termică a acestei căi va crește și este necesar să umpleți suprafața de contact cu un tampon termic pentru a îmbunătăți conductivitatea termică a căii.
Managementul termic poate reduce temperatura componentelor din sursa de alimentare și din mediul intern, ceea ce poate prelungi durata de viață a produsului și poate îmbunătăți fiabilitatea.
Dar managementul termic este un concept integrat, dacă este defalcat la detalii, este un subiect uriaș.
Acesta implică compromisuri între dimensiune, putere, eficiență, greutate, fiabilitate și cost. Trebuie evaluate prioritatea și constrângerile proiectului.
