De voeding genereert warmte tijdens het gebruik en de voortdurende temperatuurstijging zal veranderingen in de prestaties veroorzaken, wat uiteindelijk kan leiden tot systeemstoringen; bovendien zal de hitte ook de levensduur van componenten verkorten en de betrouwbaarheid op de lange termijn aantasten.
Zelfs als de temperatuurstijging de toegestane limiet overschrijdt, zorgt een warmtegenererend onderdeel ervoor dat het hele systeem opwarmt. Dit betekent niet noodzakelijkerwijs dat het hele systeem oververhit is, maar de overtollige warmte die door het onderdeel wordt gegenereerd, moet worden afgevoerd.
Dus waar gaat de hitte heen?
Verspreid naar een koelere locatie, hetzij naast het systeem en de behuizing, of buiten de behuizing (alleen mogelijk als de buitenkant koeler is dan de binnenkant).
Oplossingen voor thermisch beheer
Thermisch beheer volgt de basisprincipes van de fysica en er zijn drie manieren om warmte te geleiden: straling, geleiding en convectie.
Voor de meeste elektronische systemen wordt de vereiste koeling bereikt door warmte weg te leiden van de warmtebron en deze vervolgens door convectie naar elders over te brengen.
Thermisch ontwerp vereist een combinatie van verschillende hardware voor thermisch beheer om op efficiënte wijze de vereiste geleiding en convectie te bereiken.
Er zijn drie meest gebruikte koelelementen: koellichamen, warmtepijpen en ventilatoren.
Heatsinks en heatpipes zijn passieve koelsystemen die geen voeding nodig hebben, terwijl ventilatoren een actief koelsysteem met geforceerde lucht zijn.
koellichaam
Een koellichaam is een structuur van aluminium of koper die warmte van een warmtebron opvangt door geleiding en de warmte overbrengt naar een luchtstroom (in sommige gevallen water of andere vloeistoffen) voor convectie.
Diverse soorten radiatoren
Koellichamen zijn er in duizenden maten en vormen, van kleine gestanste metalen vinnen die individuele transistors verbinden tot grote extrusies met vele vinnen (vingers) die de convectieluchtstroom onderscheppen en warmte overbrengen naar die luchtstroom.
Heatsinks hebben het voordeel dat ze geen bewegende delen, bedrijfskosten, storingsmodi en meer hebben.
Zodra het koellichaam is aangesloten op de warmtebron, vindt convectie op natuurlijke wijze plaats wanneer de warme lucht stijgt, en begint en blijft er een luchtstroom ontstaan.
Hoewel koellichamen gemakkelijk te gebruiken zijn, zijn er enkele nadelen:
1. Koellichamen die grote hoeveelheden warmte overbrengen, zijn omvangrijk, duur en zwaar en moeten correct worden geplaatst, wat de fysieke lay-out van de printplaat zal beïnvloeden of beperken;
2. De vinnen kunnen worden geblokkeerd door stof in de luchtstroom, waardoor de efficiëntie afneemt;
3. Het moet goed worden aangesloten op de warmtebron, zodat de warmte goed van de warmtebron naar de radiator kan stromen.
Hitte pijp
Het is een ander belangrijk onderdeel van de thermomanagementkit, het brengt warmte over van punt A naar punt B zonder enige vorm van actief forceermechanisme.
Het bevat een gesinterde kern en een afgedichte metalen buis met werkvloeistof die zelf niet als koellichaam fungeert, maar eerder warmte van een warmtebron absorbeert en naar een koeler gebied overbrengt.
Heatpipes kunnen worden gebruikt wanneer er onvoldoende ruimte is voor een koellichaam in de buurt van de warmtebron of wanneer er onvoldoende luchtstroom is.
Heatpipes werken efficiënt en transporteren warmte van de bron naar een beter beheersbare locatie.
werkend principe:
De warmtebron zet de werkvloeistof om in stoom in de afgesloten buis en de stoom voert warmte naar het koelere uiteinde van de warmtepijp. Aan dit uiteinde condenseert de damp tot een vloeistof en geeft warmte af, en de vloeistof keert terug naar het hetere uiteinde.
Dit overgangsproces van de gas-vloeistoftoestand loopt continu en wordt alleen aangedreven door het temperatuurverschil tussen de koude en hete uiteinden.
Het aansluiten van een koellichaam of ander koelapparaat op het koude uiteinde kan het probleem oplossen van warmteafvoer van plaatselijke hotspots waar de luchtstroom wordt geblokkeerd.
fan
Het is de eerste stap in de richting van een geforceerd luchtgekoeld actief koelapparaat, waarbij passieve radiatoren en heatpipes worden weggelaten, maar fans hebben ook hun eigen hoofdpijn:
1. Verhoog de kosten, heb ruimte nodig en verhoog de systeemruis;
2. Het is storingsgevoelig, verbruikt energie en beïnvloedt de efficiëntie van het hele systeem.
Maar in veel gevallen, vooral wanneer het luchtstroompad gebogen, verticaal of geblokkeerd is, zijn ze vaak de enige manier om voldoende luchtstroom te krijgen.
De belangrijkste parameter die de capaciteit van een ventilator bepaalt, is de eenheidslengte of eenheidsvolumestroom van lucht per minuut.
Fysieke grootte is echter een probleem: een grote ventilator op lage snelheid kan dezelfde luchtstroom produceren als een kleine ventilator op hoge snelheid, dus er is een wisselwerking tussen grootte en snelheid.
Modellering en uitgebreide simulatie
Standalone passieve systemen zijn groter, maar betrouwbaarder en efficiënter, terwijl ventilatoren kunnen functioneren in situaties waarin alleen passieve koeling niet kan worden gebruikt.
Welk systeem je moet kiezen voor koeling kan vaak een moeilijke beslissing zijn.
Dit is waar modellering en simulatie nodig zijn om te bepalen hoeveel koeling nodig is en hoe dit te bereiken, wat cruciaal is voor een efficiënte strategie voor thermisch beheer.
Voor miniatuurmodellen worden warmtebronnen en hun paden voor warmtestroom gekenmerkt door hun thermische weerstand, die wordt bepaald door het gebruikte materiaal, de massa en de grootte.
Modellering die laat zien hoe warmte uit de warmtebron stroomt, is ook de eerste stap bij het evalueren van componenten die thermische storingen veroorzaken vanwege hun eigen warmtedissipatie.
Leveranciers van apparaten, zoals IC's met een hoge warmteafvoer, MOSFET's en IGBT's, bieden vaak thermische modellen die details geven over het thermische pad van de warmtebron naar het oppervlak van het apparaat.
Zodra de thermische belastingen van de verschillende componenten bekend zijn, is de volgende stap het modelleren op macroniveau, wat even eenvoudig als complex is:
De luchtstroom van verschillende warmtebronnen is zodanig gedimensioneerd dat de temperatuur onder de toegestane limieten blijft; basisberekeningen worden uitgevoerd met behulp van luchttemperatuur, beschikbare ongeforceerde luchtstroom, ventilatorluchtstroom en andere factoren om een globaal idee te krijgen van de temperatuuromstandigheden.
Vervolgens volgt een complexere modellering van het gehele product en de verpakking met behulp van het model en de locatie van elke warmtebron, de printplaat, het oppervlak van de behuizing en andere factoren.
Ten slotte moet modellering twee problemen oplossen:
1. Het probleem van piek- en gemiddelde dissipatie. Een component in stabiele toestand die continu 1 W warmte afgeeft, heeft bijvoorbeeld een andere thermische impact dan een apparaat dat 10 W warmte afgeeft, maar een intermitterende inschakelduur van 10 procent heeft.
Dit betekent dat de gemiddelde warmteafgifte gelijk is en de bijbehorende thermische massa en warmtestroom verschillende warmteverdelingen zal opleveren. De meeste CFD-aanvragen kunnen worden geanalyseerd met een combinatie van statisch en dynamisch.
2. Onvolkomenheden in fysieke verbindingen tussen componenten en oppervlakken van micromodellen, zoals de fysieke verbinding tussen de bovenkant van het IC-pakket en het koellichaam.
Als de verbinding een kleine steek heeft, zal de thermische weerstand van dit pad toenemen en is het noodzakelijk om het thermische kussen op het contactoppervlak te vullen om de thermische geleidbaarheid van het pad te verbeteren.
Thermisch beheer kan de temperatuur van de componenten in de voeding en de interne omgeving verlagen, wat de levensduur van het product kan verlengen en de betrouwbaarheid kan verbeteren.
