Główne rozwiązania zarządzania ciepłem zasilania
Gospodarka cieplna jest zgodna z podstawowymi zasadami fizyki. Istnieją trzy sposoby przewodzenia ciepła: promieniowanie, przewodzenie i konwekcja.
W przypadku większości układów elektronicznych, osiągnięcie wymaganego chłodzenia polega najpierw na opuszczeniu źródła ciepła przez przewodzenie, a następnie przeniesieniu go w inne miejsca na drodze konwekcji.
Podczas projektowania termicznego konieczne jest połączenie różnych urządzeń do zarządzania ciepłem, aby skutecznie osiągnąć wymagane przewodnictwo i konwekcję.
Istnieją trzy najczęściej używane elementy chłodzące: radiatory, ciepłowody i wentylatory.
Radiator i rura cieplna to pasywne systemy chłodzenia bez zasilania, natomiast wentylator jest aktywnym systemem chłodzenia wymuszonym obiegiem powietrza.
Grzejnik to konstrukcja aluminiowa lub miedziana, która może pozyskiwać ciepło ze źródła ciepła poprzez przewodzenie i przekazywać ciepło do przepływu powietrza (w niektórych przypadkach do wody lub innych cieczy) w celu uzyskania konwekcji.
Radiatory występują w tysiącach rozmiarów i kształtów, od małych wytłoczonych metalowych żeber łączących pojedynczy tranzystor po duże wytłoczki z wieloma żeberkami (palcami), które mogą przechwytywać konwekcyjny przepływ powietrza i przenosić do niego ciepło.
Grzejnik ma zalety w postaci braku ruchomych części, kosztów eksploatacji, trybów awaryjnych itp.
Po podłączeniu grzejnika do źródła ciepła, w miarę unoszenia się ciepłego powietrza, naturalnie wystąpi konwekcja, która rozpocznie się i będzie kontynuować tworzenie przepływu powietrza.
Chociaż grzejnik jest łatwy w obsłudze, ma pewne wady:
Grzejnik przenoszący duże ilości ciepła jest duży, kosztowny i ciężki i musi być prawidłowo umieszczony, co wpłynie na fizyczny układ płytki drukowanej lub ją ograniczy;
Żebra mogą być zablokowane przez kurz w strumieniu powietrza, co zmniejsza wydajność;
Musi być odpowiednio podłączony do źródła ciepła, aby ciepło mogło płynnie przepływać ze źródła ciepła do grzejnika.
Rurka cieplna
Jest to kolejny ważny element systemu zarządzania ciepłem, który może przenosić ciepło z punktu A do punktu B bez jakiejkolwiek formy aktywnego mechanizmu wymuszającego.
Zawiera spiekany rdzeń i szczelną metalową rurkę płynu roboczego. Sam w sobie nie działa jak grzejnik. Jego funkcją jest pochłanianie ciepła ze źródła ciepła i przekazywanie go do chłodniejszego obszaru.
Rurki cieplne mogą być stosowane, gdy w pobliżu źródła ciepła nie ma wystarczająco dużo miejsca na umieszczenie grzejnika lub przepływ powietrza jest niewystarczający. Rura cieplna ma wysoką wydajność pracy i może przenosić ciepło ze źródła do miejsca, które jest wygodniejsze w zarządzaniu.
Jego zasada działania jest prosta i pomysłowa:
Źródło ciepła przekształca płyn roboczy w parę w zamkniętej rurze, a para przenosi ciepło do zimniejszego końca rurki cieplnej. Na tym końcu para skrapla się w ciecz i uwalnia ciepło, podczas gdy płyn wraca do cieplejszego końca.
Ten proces przemiany gaz-ciecz przebiega w sposób ciągły i jest napędzany jedynie różnicą temperatur między zimnym i gorącym końcem. Podłączenie chłodnicy lub innego urządzenia chłodzącego na zimnym końcu może rozwiązać problem rozpraszania ciepła w lokalnych gorących punktach, w których przepływ powietrza jest zablokowany.
Wentylator
Jest to pierwszy krok w kierunku aktywnego radiatora chłodzonego wymuszonym obiegiem powietrza, oprócz radiatorów pasywnych i rurek cieplnych, ale wentylatory mają również wady:
wysoki koszt, potrzeba miejsca, zwiększenie hałasu systemu;
Podatne na awarie, zużywają energię i wpływają na wydajność całego systemu
Jednak w wielu przypadkach, zwłaszcza gdy ścieżka przepływu powietrza jest zakrzywiona, pionowa lub niegładka, są one zwykle jedynym sposobem na uzyskanie wystarczającego przepływu powietrza.
Kluczowym parametrem określającym wydajność wentylatora jest długość jednostki lub jednostkowe natężenie przepływu powietrza na minutę.
Problemem jest jednak rozmiar fizyczny: duży wentylator o niskiej prędkości obrotowej może wytwarzać taki sam przepływ powietrza, jak mały wentylator o wysokiej prędkości obrotowej, więc istnieje kompromis między rozmiarem a prędkością.
Modelowanie i wszechstronna symulacja
Oddzielne systemy pasywne mają większe rozmiary, ale są bardziej niezawodne i wydajne, a wentylatory mogą odgrywać rolę w sytuacjach, w których nie można używać samego chłodzenia pasywnego.
Wybór systemu do chłodzenia to często trudna decyzja.
W tej chwili konieczne jest określenie, ile powietrza chłodzącego jest potrzebne i jak osiągnąć chłodzenie poprzez modelowanie i symulację, co jest niezbędne dla skutecznych strategii zarządzania ciepłem.
W przypadku modelu miniaturowego źródło ciepła i jego droga przepływu ciepła charakteryzują się odpornością termiczną, a opór cieplny determinowany jest zastosowanym materiałem, jakością i rozmiarem.
Modelowanie pokazuje, w jaki sposób ciepło przepływa ze źródła ciepła, a także jest pierwszym krokiem w ocenie komponentów, które powodują awarie termiczne z powodu własnego rozpraszania ciepła.
Na przykład dostawcy urządzeń, tacy jak układy scalone o wysokim rozpraszaniu ciepła, tranzystory MOSFET i tranzystory IGBT, zwykle dostarczają modele termiczne, które mogą dostarczyć szczegółowych informacji na temat ścieżki termicznej od źródła ciepła do powierzchni urządzenia.
Po poznaniu obciążenia cieplnego każdego elementu następnym krokiem jest modelowanie na poziomie makro, które jest zarówno proste, jak i złożone:
Dostosuj wielkość przepływu powietrza przez różne źródła ciepła, aby utrzymać jego temperaturę poniżej dopuszczalnego limitu; użyj temperatury powietrza, dostępnego przepływu niewymuszonego przepływu powietrza, przepływu powietrza wentylatora i innych czynników, aby wykonać podstawowe obliczenia, aby z grubsza zrozumieć sytuację temperaturową.
Następnym krokiem jest wykorzystanie modelu i lokalizacji każdego źródła ciepła, płytki PC, powierzchni obudowy i innych czynników do wykonania bardziej złożonego modelowania całego produktu i jego opakowania.
Wreszcie modelowanie musi rozwiązać dwa problemy:
Problem rozpraszania szczytowego i średniego. Na przykład, element w stanie ustalonym z ciągłym rozpraszaniem ciepła 1 W i urządzenie z rozpraszaniem ciepła 10 W, ale z 10% przerywanym cyklem pracy, mają różne efekty cieplne.
Oznacza to, że średnie rozpraszanie ciepła jest takie samo, a związana z nim masa ciepła i przepływ ciepła spowodują różne rozkłady ciepła. Większość aplikacji CFD może łączyć analizę statyczną i dynamiczną.
Niedoskonałość fizycznego połączenia między powierzchnią komponentu a miniaturowym modelem, taka jak fizyczne połączenie między górną częścią obudowy IC a radiatorem.
Jeśli połączenie ma niewielką odległość, opór cieplny tej ścieżki wzrośnie i konieczne jest wypełnienie powierzchni styku podkładką termiczną w celu zwiększenia przewodności cieplnej ścieżki.
Zarządzanie termiczne może obniżyć temperaturę komponentów zasilacza i środowiska wewnętrznego, co może przedłużyć żywotność produktu i poprawić niezawodność.
Ale zarządzanie temperaturą jest koncepcją zintegrowaną, a w najdrobniejszych szczegółach stanowi ogromny temat.
Wiąże się to z kompromisami między rozmiarem, mocą, wydajnością, wagą, niezawodnością i kosztem. Należy ocenić priorytet i ograniczenia projektu.
