Strømforsyningen genererer varme under drift, og den kontinuerlige temperaturstigning vil forårsage ændringer i ydeevnen, som i sidste ende kan føre til systemfejl; derudover vil varmen også forkorte komponenternes levetid og påvirke den langsigtede pålidelighed.
En varmegenererende komponent, selvom temperaturstigningen overstiger sin tilladte grænse, får hele systemet til at varme op, det betyder ikke nødvendigvis, at hele systemet er overophedet, men den overskydende varme, som komponenten genererer, skal bortledes.
Så hvor bliver varmen af?
Dissipér til et køligere sted, enten ved siden af systemet og kabinettet, eller uden for kabinettet (kun muligt, hvis ydersiden er køligere end indersiden).
Termiske styringsløsninger
Termisk styring følger fysikkens grundlæggende principper, og der er tre måder at lede varme på: stråling, ledning og konvektion.
For de fleste elektroniske systemer opnås den nødvendige afkøling ved at lede varme væk fra varmekilden og derefter overføre den et andet sted ved konvektion.
Termisk design kræver en kombination af forskellige varmestyringshardware for effektivt at opnå den nødvendige ledning og konvektion.
Der er tre mest almindeligt anvendte køleelementer: køleplader, varmerør og blæsere.
Køleplader og varmerør er passive kølesystemer, der ikke kræver strømforsyning, mens ventilatorer er et aktivt tvungen luftkølesystem.
køleplade
En køleplade er en aluminium- eller kobberstruktur, der opsamler varme fra en varmekilde ved ledning og overfører varmen til en luftstrøm (i nogle tilfælde vand eller andre væsker) til konvektion.
Forskellige typer radiatorer
Køleplader kommer i tusindvis af størrelser og former, fra små stemplede metalfinner, der forbinder individuelle transistorer til store ekstruderinger med mange finner (fingre), der opfanger konvektiv luftstrøm og overfører varme til den luftstrøm.
Køleplader har den fordel, at de ikke har bevægelige dele, driftsomkostninger, fejltilstande og mere.
Når først kølepladen er tilsluttet varmekilden, opstår konvektion naturligt, når den varme luft stiger, starter og fortsætter med at skabe luftstrøm.
Selvom køleplader er nemme at bruge, er der nogle ulemper:
1. Køleplader, der overfører store mængder varme, er voluminøse, dyre og tunge og skal placeres korrekt, hvilket vil påvirke eller begrænse det fysiske layout af printkortet;
2. Finnerne kan være blokeret af støv i luftstrømmen, hvilket reducerer effektiviteten;
3. Den skal være korrekt tilsluttet varmekilden, så varmen kan flyde jævnt fra varmekilden til radiatoren.
Varmerør
Det er en anden vigtig komponent i det termiske styringssæt, der overfører varme fra punkt A til punkt B uden nogen form for aktiv forceringsmekanisme.
Den indeholder en sintret kerne og et forseglet metalrør af arbejdsvæske, der ikke selv fungerer som en køleplade, men snarere absorberer varme fra en varmekilde og overfører den til et køligere område.
Varmerør kan bruges, når der ikke er plads nok til en køleplade i nærheden af varmekilden, eller når der er utilstrækkelig luftgennemstrømning.
Varmerør fungerer effektivt og overfører varme fra kilden til et mere overskueligt sted.
arbejdsprincip:
Varmekilden omdanner arbejdsfluidet til damp i det forseglede rør, og dampen fører varme til den køligere ende af varmerøret. I denne ende kondenserer dampen til en væske og frigiver varme, og væsken vender tilbage til den varmere ende.
Denne gas-væske tilstand overgangsproces kører kontinuerligt og drives kun af temperaturforskellen mellem den kolde og varme ende.
Tilslutning af en køleplade eller en anden køleanordning i den kolde ende kan løse problemet med varmeafledning fra lokale hot spots, hvor luftstrømmen er blokeret.
ventilator
Det er det første skridt mod en tvungen luftkølet aktiv køleenhed, der fjerner passive radiatorer og varmerør, men fans har også deres egen hovedpine:
1. Øg omkostningerne, kræve plads og øg systemstøjen;
2. Det er tilbøjeligt til at fejle, forbruger energi og påvirker effektiviteten af hele systemet.
Men i mange tilfælde, især når luftstrømmen er buet, lodret eller blokeret, er de ofte den eneste måde at få tilstrækkelig luftstrøm på.
Nøgleparameteren, der definerer en ventilators kapacitet, er enhedslængden eller enhedsvolumenstrømmen af luft pr. minut.
Fysisk størrelse er dog et problem: en stor blæser ved lav hastighed kan producere den samme luftstrøm som en lille blæser ved høj hastighed, så der er en afvejning mellem størrelse og hastighed.
Modellering og omfattende simulering
Standalone passive systemer er større i størrelse, men er mere pålidelige og effektive, mens ventilatorer kan fungere i situationer, hvor passiv køling alene ikke kan bruges.
Hvilket system man skal vælge til køling kan ofte være en svær beslutning.
Det er her, der er behov for modellering og simulering for at bestemme, hvor meget køling der er behov for, og hvordan man opnår det, hvilket er afgørende for en effektiv termisk styringsstrategi.
For miniaturemodeller er varmekilder og deres veje til varmestrøm kendetegnet ved deres termiske modstand, som bestemmes af det anvendte materiale, masse og størrelse.
Modellering, der viser, hvordan varme strømmer fra varmekilden, er også det første trin i evalueringen af komponenter, der forårsager termisk fejl på grund af deres egen varmeafledning.
Enhedsleverandører såsom høj varmeafledning IC'er, MOSFET'er og IGBT'er leverer ofte termiske modeller, der giver detaljer om den termiske vej fra varmekilden til enhedens overflade.
Når de termiske belastninger af de forskellige komponenter er kendt, er næste trin at modellere på makroniveau, hvilket er lige så simpelt som det er komplekst:
Luftstrømmen fra forskellige varmekilder er dimensioneret til at holde dens temperatur under de tilladte grænser; grundlæggende beregninger udføres ved hjælp af lufttemperatur, uforceret luftstrøm tilgængelig, ventilatorluftstrøm og andre faktorer for at få en nogenlunde idé om temperaturforhold.
Dernæst kommer en mere kompleks modellering af hele produktet og dets emballage ved hjælp af modellen og placeringen af hver varmekilde, PC-kortet, overfladen af kabinettet og andre faktorer.
Endelig skal modellering løse to problemer:
1. Problemet med top- og gennemsnitsdissipation. For eksempel har en steady state-komponent, der afgiver 1W varme kontinuerligt, en anden termisk påvirkning end en enhed, der afleder 10W varme, men som har en intermitterende driftscyklus på 10 procent.
Det betyder, at den gennemsnitlige varmeafgivelse er den samme, og den tilhørende termiske masse og varmestrøm vil give forskellige varmefordelinger. De fleste CFD-applikationer kan analyseres med en kombination af statisk og dynamisk.
2. Ufuldkommenheder i fysiske forbindelser mellem komponenter og mikromodeloverflader, såsom den fysiske forbindelse mellem toppen af IC-pakken og kølepladen.
Hvis forbindelsen har en lille pitch, vil den termiske modstand af denne bane stige, og det er nødvendigt at fylde den termiske pude på kontaktfladen for at forbedre banens termiske ledningsevne.
Termisk styring kan reducere temperaturen på komponenterne i strømforsyningen og det interne miljø, hvilket kan forlænge produktets levetid og forbedre pålideligheden.
