Glavna rješenja za upravljanje toplinom napajanja

Upravljanje toplinom pokorava se osnovnim principima fizike. Postoje tri načina provođenja topline: zračenje, vođenje i konvekcija.

Za većinu elektroničkih sustava, postizanje potrebnog hlađenja je prvo pustiti toplinu da napusti izvor topline kondukcijom, a zatim je prenijeti na druga mjesta konvekcijom.

Prilikom izvođenja toplinskog dizajna potrebno je kombinirati različit hardver za upravljanje toplinom kako bi se učinkovito postigla potrebna vodljivost i konvekcija.

Tri su najčešće korištene komponente za hlađenje: hladnjak, toplinske cijevi i ventilatori.

Hladnjak i toplinska cijev su pasivni rashladni sustavi bez napajanja, dok je ventilator aktivni sustav prisilnog hlađenja zraka.

Radijator je aluminijska ili bakrena struktura koja može dobiti toplinu iz izvora topline kroz vođenje i prenijeti toplinu na protok zraka (u nekim slučajevima, na vodu ili druge tekućine) kako bi se postigla konvekcija.

Hladnjaci dolaze u tisućama veličina i oblika, od malih utisnutih metalnih peraja koje povezuju jedan tranzistor do velikih ekstruzija s mnogo rebara (prstima) koje mogu presresti konvektivni protok zraka i prenijeti toplinu na njega.

Radijator ima prednosti što nema pokretnih dijelova, operativnih troškova, načina kvara itd.

Nakon što je radijator spojen na izvor topline, kako se topli zrak diže, prirodno će doći do konvekcije, čime će započeti i nastaviti stvarati strujanje zraka.

Iako je radijator jednostavan za korištenje, postoje neki nedostaci:

• Radijator koji prenosi veliku toplinu je velik, skup i težak i mora biti ispravno postavljen, što će utjecati ili ograničiti fizički izgled ploče;

• 
  

• Peraje mogu biti blokirane prašinom u strujanju zraka, smanjujući učinkovitost;

• 
  

• Mora biti pravilno spojen na izvor topline kako bi toplina mogla nesmetano teći od izvora topline do radijatora.

Toplinska cijev

To je još jedna važna komponenta paketa za upravljanje toplinom, koja može prenositi toplinu od točke A do točke B bez ikakvog oblika aktivnog mehanizma prisile.

Sadrži sinteriranu jezgru i zatvorenu metalnu cijev radnog fluida. Sam po sebi ne djeluje kao radijator. Njegova je funkcija apsorbirati toplinu iz izvora topline i prenijeti je u hladnije područje.

Toplinske cijevi se mogu koristiti kada u blizini izvora topline nema dovoljno prostora za postavljanje radijatora ili je protok zraka nedovoljan. Toplinska cijev ima visoku radnu učinkovitost i može prenijeti toplinu iz izvora na mjesto koje je prikladnije za upravljanje.

Njegov princip rada je jednostavan i genijalan:

Izvor topline pretvara radni fluid u paru u zatvorenoj cijevi, a para prenosi toplinu na hladniji kraj toplinske cijevi. Na tom kraju para se kondenzira u tekućinu i oslobađa toplinu, dok se tekućina vraća na topliji kraj.

Ovaj proces transformacije plin-tekućina teče kontinuirano i pokreće ga samo temperaturna razlika između hladnog i vrućeg kraja. Spajanje radijatora ili drugog rashladnog uređaja na hladnom kraju može riješiti problem odvođenja topline lokalnih vrućih točaka gdje je protok zraka blokiran.

Ventilator

To je prvi korak prema aktivnom hladnjaku s prisilno hlađenim zrakom, osim pasivnih radijatora i toplinskih cijevi, ali ventilatori imaju i nedostatke:

visoka cijena, potreban prostor, povećanje buke sustava;

Sklon kvarovima, troše energiju i utječu na učinkovitost cijelog sustava

Ali u mnogim slučajevima, posebno kada je put protoka zraka zakrivljen, okomit ili nije gladak, oni su obično jedini način da se postigne dovoljan protok zraka.

Ključni parametar koji definira kapacitet ventilatora je jedinična duljina ili jedinični volumen protoka zraka u minuti.

Međutim, fizička veličina je problem: veliki ventilator s malom brzinom rotacije može proizvesti isti protok zraka kao mali ventilator s velikom brzinom rotacije, tako da postoji kompromis između veličine i brzine.

Modeliranje i sveobuhvatna simulacija

Odvojeni pasivni sustavi su veće veličine, ali su pouzdaniji i učinkovitiji, a ventilatori mogu igrati ulogu u situacijama kada se pasivno hlađenje ne može koristiti samostalno.

Koji sustav odabrati za hlađenje često je teška odluka.

U ovom trenutku potrebno je odrediti koliko je zraka za hlađenje potrebno i kako postići hlađenje kroz modeliranje i simulaciju, što je bitno za učinkovite strategije upravljanja toplinom.

Za minijaturni model, izvor topline i njegov put toplinskog toka karakteriziraju toplinski otpor, a toplinski otpor određen je materijalom, kvalitetom i veličinom koji se koristi.

Modeliranje pokazuje kako toplina teče iz izvora topline i također je prvi korak u ocjenjivanju komponenti koje uzrokuju toplinske nesreće zbog vlastitog odvođenja topline.

Na primjer, dobavljači uređaja kao što su IC-ovi s visokim rasipanjem topline, MOSFET-ovi i IGBT obično pružaju toplinske modele koji mogu pružiti pojedinosti o toplinskom putu od izvora topline do površine uređaja.

Nakon što je poznato toplinsko opterećenje svake komponente, sljedeći korak je modeliranje na makro razini, koja je jednostavna i složena:

Prilagodite veličinu protoka zraka kroz različite izvore topline kako bi njegova temperatura bila ispod dopuštene granice; upotrijebite temperaturu zraka, neforsirani protok zraka dostupan protok, protok zraka ventilatora i druge čimbenike za izvođenje osnovnih proračuna kako biste grubo razumjeli temperaturnu situaciju.

Sljedeći korak je korištenje modela i mjesta svakog izvora topline, PC ploče, površine školjke i drugih čimbenika za složenije modeliranje cijelog proizvoda i njegove ambalaže.

Konačno, modeliranje mora riješiti dva problema:

Problem vršne i prosječne disipacije. Na primjer, stabilna komponenta s kontinuiranom toplinskom disipacijom od 1 W i uređaj s toplinskom disipacijom od 10 W, ali s 10% isprekidanim radnim ciklusom imaju različite toplinske učinke.

To jest, prosječna disipacija topline je ista, a povezana toplinska masa i toplinski tok će proizvesti različite distribucije topline. Većina CFD aplikacija može kombinirati statičku i dinamičku analizu.

Nesavršenost fizičke veze između površine komponente i minijaturnog modela, kao što je fizička veza između vrha IC paketa i hladnjaka.

Ako spoj ima malu udaljenost, toplinski otpor ove staze će se povećati, te je potrebno ispuniti kontaktnu površinu toplinskom podlogom kako bi se poboljšala toplinska vodljivost puta.

Upravljanje toplinom može smanjiti temperaturu komponenti u napajanju i unutarnjem okruženju, što može produžiti životni vijek proizvoda i poboljšati pouzdanost.

Ali upravljanje toplinom je integrirani koncept, ako se razbije na sitnice, to je velika tema.

To uključuje kompromise veličine, snage, učinkovitosti, težine, pouzdanosti i cijene. Moraju se ocijeniti prioriteti i ograničenja projekta.