Основните термични решения за управление на захранването

Термичното управление се подчинява на основните принципи на физиката. Има три начина на топлопроводимост: излъчване, проводимост и конвекция.

За повечето електронни системи, за да се постигне необходимото охлаждане е първо да се остави топлината да напусне източника на топлина чрез проводимост и след това да се прехвърли на други места чрез конвекция.

При извършване на термичен дизайн е необходимо да се комбинират различни хардуерни средства за управление на топлината, за да се постигне ефективно необходимата проводимост и конвекция.

Има три най-често използвани компонента за охлаждане: радиатори, топлинни тръби и вентилатори.

Радиаторът и топлинната тръба са пасивни охладителни системи без захранване, докато вентилаторът е активна система за принудително въздушно охлаждане.

Радиаторът е алуминиева или медна конструкция, която може да получава топлина от източник на топлина чрез проводимост и да прехвърля топлината към въздушния поток (в някои случаи на вода или други течности), за да постигне конвекция.

Радиаторите се предлагат в хиляди размери и форми, от малки щамповани метални ребра, които свързват един транзистор, до големи екструзии с много ребра (пръсти), които могат да прихващат конвективния въздушен поток и да предават топлина към него.

Радиаторът има предимствата, че няма движещи се части, експлоатационни разходи, режими на отказ и т.н.

След като радиаторът е свързан към източника на топлина, тъй като топлият въздух се издига, естествено ще настъпи конвекция, като по този начин започва и продължава да образува въздушен поток.

Въпреки че радиаторът е лесен за използване, има някои недостатъци:

• Радиаторът, който предава голяма топлина, е голям, скъп и тежък и трябва да бъде поставен правилно, което ще повлияе или ограничи физическото оформление на платката;

• 
  

• Перките могат да бъдат блокирани от прах във въздушния поток, което намалява ефективността;

• 
  

• Той трябва да бъде правилно свързан към източника на топлина, така че топлината да може да тече плавно от източника на топлина към радиатора.

Топлинна тръба

Това е друг важен компонент от пакета за управление на топлинната енергия, който може да пренася топлина от точка А до точка Б без каквато и да е форма на активен механизъм за принудяване.

Съдържа синтерована сърцевина и запечатана метална тръба с работен флуид. Сам по себе си не действа като радиатор. Неговата функция е да абсорбира топлината от източника на топлина и да я прехвърля към по-студена зона.

Топлинните тръби могат да се използват, когато в близост до източника на топлина няма достатъчно място за поставяне на радиатора или въздушният поток е недостатъчен. Топлинната тръба има висока работна ефективност и може да пренася топлина от източника на място, което е по-удобно за управление.

Принципът му на работа е прост и гениален:

Източникът на топлина превръща работния флуид в пара в запечатаната тръба, а парата предава топлината към по-студения край на топлинната тръба. В този край парата кондензира в течност и отделя топлина, докато течността се връща към по-горещия край.

Този процес на трансформация газ-течност протича непрекъснато и се задвижва само от температурната разлика между студения и горещия край. Свързването на радиатор или друго охлаждащо устройство в студения край може да реши проблема с разсейването на топлината на локалните горещи точки, където въздушният поток е блокиран.

вентилатор

Това е първата стъпка към активен радиатор с принудително охлаждане с въздух, освен пасивни радиатори и топлинни тръби, но вентилаторите имат и недостатъци:

висока цена, нужда от пространство, увеличаване на шума на системата;

Склонни към повреда, консумират енергия и влияят на ефективността на цялата система

Но в много случаи, особено когато пътят на въздушния поток е извит, вертикален или не гладък, те обикновено са единственият начин да се получи достатъчен въздушен поток.

Ключовият параметър, който определя капацитета на вентилатора, е единичната дължина или единичния обемен дебит на въздуха в минута.

Физическият размер обаче е проблем: голям вентилатор с ниска скорост на въртене може да произведе същия въздушен поток като малък вентилатор с висока скорост на въртене, така че има компромис между размер и скорост.

Моделиране и цялостна симулация

Отделните пасивни системи са по-големи по размер, но по-надеждни и ефективни, а вентилаторите могат да играят роля в ситуации, при които пасивното охлаждане не може да се използва самостоятелно.

Коя система да изберете за охлаждане често е трудно решение.

По това време е необходимо да се определи колко въздух за охлаждане е необходим и как да се постигне охлаждане чрез моделиране и симулация, което е от съществено значение за ефективни стратегии за управление на топлината.

За миниатюрния модел източникът на топлина и неговият топлинен поток се характеризират с термичното им съпротивление, а топлинното съпротивление се определя от използвания материал, качество и размер.

Моделирането показва как топлината тече от източника на топлина и също така е първата стъпка в оценката на компонентите, които причиняват топлинни аварии поради собственото си разсейване на топлината.

Например, доставчици на устройства като ИС с високо разсейване на топлина, MOSFET и IGBT обикновено предоставят термични модели, които могат да предоставят подробности за термичния път от източника на топлина до повърхността на устройството.

След като термичното натоварване на всеки компонент е известно, следващата стъпка е да се моделира на макро ниво, което е едновременно просто и сложно:

Регулирайте размера на въздушния поток през различни източници на топлина, за да поддържате температурата му под допустимата граница; използвайте температурата на въздуха, наличния поток от непринуден въздушен поток, въздушния поток на вентилатора и други фактори, за да извършите основни изчисления, за да разберете грубо температурната ситуация.

Следващата стъпка е да се използва моделът и местоположението на всеки източник на топлина, печатна платка, повърхност на корпуса и други фактори, за да се извърши по-сложно моделиране на целия продукт и неговата опаковка.

И накрая, моделирането трябва да реши два проблема:

Проблемът с пиковото и средното разсейване. Например, компонент в стационарно състояние с непрекъснато топлинно разсейване от 1 W и устройство с топлинно разсейване от 10 W, но с 10% периодичен работен цикъл имат различни топлинни ефекти.

Това означава, че средното разсейване на топлината е същото и свързаната топлинна маса и топлинният поток ще произведат различно разпределение на топлината. Повечето CFD приложения могат да комбинират статичен и динамичен анализ.

Несъвършенството на физическата връзка между повърхността на компонента и миниатюрния модел, като физическата връзка между горната част на IC пакета и радиатора.

Ако връзката има малко разстояние, топлинното съпротивление на този път ще се увеличи и е необходимо контактната повърхност да се запълни с термична подложка, за да се подобри топлопроводимостта на пътя.

Термичното управление може да намали температурата на компонентите в захранването и вътрешната среда, което може да удължи живота на продукта и да подобри надеждността.

Но управлението на топлината е интегрирана концепция, ако се разбие до най-малките, това е огромна тема.

Той включва компромиси от размер, мощност, ефективност, тегло, надеждност и цена. Приоритетът и ограниченията на проекта трябва да бъдат оценени.