Napájací zdroj generuje teplo počas prevádzky a neustále zvyšovanie teploty spôsobí zmeny vo výkone, čo môže nakoniec viesť k zlyhaniu systému; okrem toho teplo tiež skráti životnosť komponentov a ovplyvní dlhodobú spoľahlivosť.
Komponent generujúci teplo, aj keď nárast teploty prekročí povolenú hranicu, spôsobí prehriatie celého systému, nemusí to znamenať prehriatie celého systému, ale prebytočné teplo generované komponentom musí byť odvedené.
Kam teda ide teplo?
Rozptýli sa na chladnejšie miesto, buď v blízkosti systému a puzdra, alebo mimo puzdra (možné len vtedy, ak je vonkajšok chladnejší ako vnútro).
Riešenia tepelného manažmentu
Tepelné hospodárenie sa riadi základnými princípmi fyziky a existujú tri spôsoby vedenia tepla: sálanie, vedenie a prúdenie.
Pre väčšinu elektronických systémov sa požadované chladenie dosiahne vedením tepla preč od zdroja tepla a jeho následným prenosom inam konvekciou.
Tepelný dizajn vyžaduje kombináciu rôzneho hardvéru tepelného manažmentu na efektívne dosiahnutie požadovanej vodivosti a konvekcie.
Existujú tri najbežnejšie používané chladiace prvky: chladiče, tepelné trubice a ventilátory.
Chladiče a tepelné trubice sú pasívne chladiace systémy, ktoré nevyžadujú napájanie, zatiaľ čo ventilátory sú aktívnym systémom núteného chladenia vzduchom.
chladič
Chladič je hliníková alebo medená konštrukcia, ktorá zachytáva teplo zo zdroja tepla vedením a prenáša teplo do prúdu vzduchu (v niektorých prípadoch vody alebo iných kvapalín) na konvekciu.
Rôzne typy radiátorov
Chladiče prichádzajú v tisícoch veľkostí a tvarov, od malých lisovaných kovových rebier, ktoré spájajú jednotlivé tranzistory, až po veľké výstupky s mnohými rebrami (prstami), ktoré zachytávajú konvekčné prúdenie vzduchu a prenášajú teplo do tohto prúdu vzduchu.
Chladiče majú tú výhodu, že nemajú žiadne pohyblivé časti, prevádzkové náklady, režimy porúch a ďalšie.
Po pripojení chladiča k zdroju tepla prirodzene dochádza ku konvekcii, keď teplý vzduch stúpa, začína a pokračuje vo vytváraní prúdenia vzduchu.
Hoci sa chladiče ľahko používajú, existujú určité nevýhody:
1. Chladiče, ktoré prenášajú veľké množstvo tepla, sú objemné, nákladné a ťažké a musia byť umiestnené správne, čo ovplyvní alebo obmedzí fyzické usporiadanie dosky plošných spojov;
2. Rebrá môžu byť zablokované prachom v prúde vzduchu, čo znižuje účinnosť;
3. Musí byť správne napojený na zdroj tepla, aby teplo mohlo plynulo prúdiť zo zdroja tepla do radiátora.
Tepelné potrubie
Je to ďalšia dôležitá súčasť súpravy tepelného manažmentu, ktorá prenáša teplo z bodu A do bodu B bez akejkoľvek formy aktívneho silového mechanizmu.
Obsahuje sintrované jadro a utesnenú kovovú rúrku pracovnej tekutiny, ktorá sama o sebe nepôsobí ako chladič, ale skôr absorbuje teplo zo zdroja tepla a prenáša ho do chladnejšej oblasti.
Tepelné trubice je možné použiť vtedy, keď v blízkosti zdroja tepla nie je dostatok miesta pre chladič alebo pri nedostatočnom prúdení vzduchu.
Tepelné trubice fungujú efektívne a prenášajú teplo zo zdroja na lepšie spravovateľné miesto.
pracovný princíp:
Zdroj tepla premieňa pracovnú tekutinu na paru v utesnenej trubici a para prenáša teplo do chladnejšieho konca tepelnej trubice. Na tomto konci para kondenzuje na kvapalinu a uvoľňuje teplo a kvapalina sa vracia do teplejšieho konca.
Tento prechodový proces plyn-kvapalina prebieha nepretržite a je riadený iba teplotným rozdielom medzi studeným a horúcim koncom.
Pripojenie chladiča alebo iného chladiaceho zariadenia na studenom konci môže vyriešiť problém rozptylu tepla z lokalizovaných horúcich miest, kde je prúdenie vzduchu blokované.
ventilátor
Je to prvý krok smerom k aktívnemu chladiacemu zariadeniu s núteným vzduchom, zbavovaniu sa pasívnych radiátorov a tepelných trubíc, ale ventilátory majú tiež svoje vlastné bolesti hlavy:
1. Zvýšiť náklady, vyžadovať priestor a zvýšiť hlučnosť systému;
2. Je náchylný na poruchy, spotrebúva energiu a ovplyvňuje účinnosť celého systému.
Ale v mnohých prípadoch, najmä ak je dráha prúdenia vzduchu zakrivená, vertikálna alebo zablokovaná, sú často jediným spôsobom, ako dosiahnuť adekvátny prúd vzduchu.
Kľúčovým parametrom, ktorý definuje výkon ventilátora, je jednotková dĺžka alebo jednotkový objemový prietok vzduchu za minútu.
Fyzická veľkosť je však problémom: veľký ventilátor pri nízkej rýchlosti môže produkovať rovnaký prúd vzduchu ako malý ventilátor pri vysokej rýchlosti, takže existuje kompromis medzi veľkosťou a rýchlosťou.
Modelovanie a komplexná simulácia
Samostatné pasívne systémy majú väčšiu veľkosť, ale sú spoľahlivejšie a efektívnejšie, zatiaľ čo ventilátory môžu fungovať v situáciách, keď nie je možné použiť samotné pasívne chladenie.
Ktorý systém zvoliť na chladenie môže byť často ťažké rozhodnutie.
Tu je potrebné modelovanie a simulácia na určenie toho, koľko chladenia je potrebné a ako to dosiahnuť, čo je rozhodujúce pre efektívnu stratégiu tepelného manažmentu.
Pre miniatúrne modely sú zdroje tepla a ich cesty pre tepelný tok charakterizované ich tepelným odporom, ktorý je daný použitým materiálom, hmotnosťou a veľkosťou.
Modelovanie, ktoré ukazuje, ako teplo prúdi zo zdroja tepla, je tiež prvým krokom pri hodnotení komponentov, ktoré spôsobujú tepelnú poruchu v dôsledku vlastného rozptylu tepla.
Dodávatelia zariadení, ako sú integrované obvody s vysokým rozptylom tepla, MOSFET a IGBT, často poskytujú tepelné modely, ktoré poskytujú podrobnosti o tepelnej ceste od zdroja tepla k povrchu zariadenia.
Keď sú známe tepelné zaťaženia rôznych komponentov, ďalším krokom je modelovanie na makro úrovni, čo je také jednoduché ako zložité:
Prúdenie vzduchu z rôznych zdrojov tepla je dimenzované tak, aby udržalo jeho teplotu pod povolenými limitmi; základné výpočty sa vykonávajú pomocou teploty vzduchu, dostupného nevynúteného prúdenia vzduchu, prúdenia vzduchu ventilátora a ďalších faktorov, aby ste získali približnú predstavu o teplotných podmienkach.
Nasleduje komplexnejšie modelovanie celého produktu a jeho obalu pomocou modelu a umiestnenia jednotlivých zdrojov tepla, dosky PC, povrchu skrine a ďalších faktorov.
Nakoniec, modelovanie musí vyriešiť dva problémy:
1. Problém vrcholovej a priemernej disipácie. Napríklad komponent v ustálenom stave, ktorý nepretržite odvádza 1 W tepla, má iný tepelný vplyv ako zariadenie, ktoré odvádza 10 W tepla, ale má 10-percentný prerušovaný pracovný cyklus.
To znamená, že priemerný rozptyl tepla je rovnaký a súvisiaca tepelná hmotnosť a tepelný tok budú produkovať rôzne rozloženie tepla. Väčšina aplikácií CFD môže byť analyzovaná kombináciou statickej a dynamickej.
2. Nedokonalosti fyzických spojení medzi komponentmi a povrchmi mikromodelov, ako napríklad fyzické spojenie medzi vrchnou časťou IC obalu a chladičom.
Ak má spojenie malé stúpanie, tepelný odpor tejto cesty sa zvýši a je potrebné vyplniť tepelnú podložku na kontaktnej ploche, aby sa zvýšila tepelná vodivosť cesty.
Tepelný manažment môže znížiť teplotu komponentov v napájacom zdroji a vnútornom prostredí, čo môže predĺžiť životnosť produktu a zlepšiť spoľahlivosť.
