Jak utrzymać niską temperaturę: wybór grzejnika i podstawa zastosowania
Większość elementów elektronicznych, zwłaszcza mikroprocesorów i mikrokontrolerów, stale zwiększa gęstość termiczną z powodu ciągłego zmniejszania się ich rozmiarów. Biorąc pod uwagę, że oczekiwana żywotność, niezawodność i wydajność są odwrotnie proporcjonalne do temperatury roboczej urządzenia, wynikiem tej ewolucji jest to, że projektowanie i zarządzanie temperaturą stały się głównym problemem projektowym. Dlatego to projektant' jest odpowiedzialny za jasne zrozumienie efektywnego zarządzania ciepłem i dostępnych rozwiązań grzejnikowych, aby utrzymać temperaturę roboczą sprzętu w zakresie określonym przez dostawcę.
Zasada działania chłodnicy polega na zwiększeniu powierzchni urządzenia narażonej na działanie chłodziwa (powietrza). Prawidłowo zainstalowany grzejnik może obniżyć temperaturę sprzętu, poprawiając przenoszenie ciepła przez granicę powietrza stałego do chłodniejszego powietrza otoczenia.
W tym artykule przedstawiono wybór radiatora oraz wskazówki dotyczące prawidłowego projektu, doboru komponentów i najlepszych praktyk w celu uzyskania doskonałej wydajności termicznej. Opisuje również rozwiązanie grzejnika Ohmite' jako przykład. Większość elementów elektronicznych, zwłaszcza mikroprocesorów i mikrokontrolerów, stale zwiększa gęstość termiczną z powodu ciągłego zmniejszania się ich rozmiarów. Biorąc pod uwagę, że oczekiwana żywotność, niezawodność i wydajność są odwrotnie proporcjonalne do temperatury roboczej urządzenia, wynikiem tej ewolucji jest to, że projektowanie i zarządzanie temperaturą stały się głównym problemem projektowym. Dlatego to projektant' jest odpowiedzialny za jasne zrozumienie efektywnego zarządzania ciepłem i dostępnych rozwiązań grzejnikowych, aby utrzymać temperaturę roboczą sprzętu w zakresie określonym przez dostawcę.
Zasada działania chłodnicy polega na zwiększeniu powierzchni urządzenia narażonej na działanie chłodziwa (powietrza). Prawidłowo zainstalowany grzejnik może obniżyć temperaturę sprzętu, poprawiając przenoszenie ciepła przez granicę powietrza stałego do chłodniejszego powietrza otoczenia.
W tym artykule przedstawiono wybór radiatora oraz wskazówki dotyczące prawidłowego projektu, doboru komponentów i najlepszych praktyk w celu uzyskania doskonałej wydajności termicznej. Opisuje również rozwiązanie grzejnika Ohmite' jako przykład.
Moc w układzie scalonym (IC) jest rozpraszana w postaci ciepła z aktywnego złącza tranzystora, a temperatura złącza jest proporcjonalna do rozpraszanej mocy. Producent podaje maksymalną temperaturę złącza, ale generalnie wynosi ona około 150°C. Przekroczenie tej temperatury złącza generalnie spowoduje uszkodzenie urządzenia, więc projektant musi znaleźć sposób na odprowadzenie jak największej ilości ciepła z układu scalonego. W tym celu mogą polegać na dość prostym modelu do pomiaru przepływu ciepła. Model ten jest podobny do elektrycznego obliczenia prawa Ohma, opartego na koncepcji oporu cieplnego, o symbolu θ.
Opór cieplny odnosi się do oporu napotykanego, gdy ciepło przepływa z jednego medium do drugiego. Jego jednostką jest Celsjusz/Wat (°C/W), zdefiniowany w następujący sposób:
w:
θ to opór cieplny w poprzek bariery termicznej w ℃/W. ∆T to różnica temperatur na barierze termicznej w ℃.
P to moc rozpraszana przez węzeł w watach. Z fizycznego układu układu scalonego i radiatora widać wiele interfejsów termicznych. Pierwszy znajduje się między złączem a obudową układu scalonego i jest reprezentowany przez opór cieplny θjc.
Radiator jest połączony z układem scalonym za pomocą materiału interfejsu termicznego (TIM), takiego jak pasta termoprzewodząca lub taśma termoprzewodząca, aby zwiększyć przewodność cieplną między dwoma urządzeniami. Ta warstwa przewodząca ciepło ma na ogół bardzo niski opór cieplny, który jest częścią oporu cieplnego od powłoki do radiatora i jest reprezentowany przez θcs. Ostatni poziom to granica między grzejnikiem a otoczeniem, oznaczona przez θsa.
Rezystancja termiczna jest jak rezystory w obwodach elektronicznych, które są połączone szeregowo. Suma wszystkich oporów cieplnych to całkowity opór cieplny od złącza do otaczającego powietrza.
Ogólnie rzecz biorąc, dostawcy układów scalonych pośrednio lub bezpośrednio określają rezystancję termiczną od złącza do obudowy. Specyfikację tę można podać w postaci maksymalnej temperatury obudowy, eliminując jeden z elementów oporu cieplnego. Projektant aplikacji IC nie ma wpływu na charakterystykę rezystancji termicznej złącza do obudowy. Projektant może jednak wybrać funkcje TIM i radiatora, aby w pełni schłodzić układ scalony i utrzymać temperaturę złącza poniżej określonej temperatury maksymalnej. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza rezystancja termiczna TIM i radiatora, tym niższa temperatura obudowy chłodzonego układu scalonego.
Z punktu widzenia odprowadzania ciepła wybór grzejnika jest stosunkowo prosty. Jak wspomniano powyżej, radiator z serii Ohmite BG zapewnia wykonalne rozwiązanie problemu chłodzenia układów scalonych w pakietach BGA.
