Virtalähde tuottaa lämpöä käytön aikana, ja jatkuva lämpötilan nousu aiheuttaa muutoksia suorituskykyyn, mikä voi lopulta johtaa järjestelmävikaan; lisäksi lämpö lyhentää komponenttien käyttöikää ja vaikuttaa pitkäaikaiseen luotettavuuteen.
Lämpöä tuottava komponentti, vaikka lämpötilan nousu ylittäisikin sallitun rajan, saa koko järjestelmän lämpenemään, se ei välttämättä tarkoita koko järjestelmän ylikuumenemista, vaan komponentin tuottama ylimääräinen lämpö on poistettava.
Joten mihin lämpö katoaa?
Hävitä viileämpään paikkaan, joko järjestelmän ja kotelon viereen tai kotelon ulkopuolelle (mahdollista vain, jos ulkopuoli on viileämpi kuin sisäpuoli).
Lämmönhallintaratkaisut
Lämmönhallinta noudattaa fysiikan perusperiaatteita, ja lämpöä johdetaan kolmella tavalla: säteily, johtuminen ja konvektio.
Useimmissa elektronisissa järjestelmissä tarvittava jäähdytys saavutetaan johtamalla lämpö pois lämmönlähteestä ja siirtämällä se sitten muualle konvektiolla.
Lämpösuunnittelu vaatii erilaisten lämmönhallintalaitteistojen yhdistelmän, jotta vaadittu johtuminen ja konvektio saavutetaan tehokkaasti.
Yleisimmin käytettyjä jäähdytyselementtejä on kolme: jäähdytyslevyt, lämpöputket ja tuulettimet.
Jäähdytyslevyt ja lämpöputket ovat passiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka eivät vaadi virtalähdettä, kun taas puhaltimet ovat aktiivinen pakkoilmajäähdytysjärjestelmä.
jäähdytyselementti
Jäähdytyselementti on alumiini- tai kuparirakenne, joka vangitsee lämmön lämmönlähteestä johtamalla ja siirtää lämmön ilmavirtaan (joissakin tapauksissa veteen tai muihin nesteisiin) konvektiota varten.
Erilaisia lämpöpatterit
Jäähdytysnieluja on tuhansia kokoja ja muotoja, pienistä meistetyistä metallirivoista, jotka yhdistävät yksittäiset transistorit, suuriin ekstruusioihin, joissa on monia ripoja (sormia), jotka pysäyttävät konvektiivisen ilmavirran ja siirtävät lämpöä tähän ilmavirtaan.
Jäähdytyselementtien etuna on, että niissä ei ole liikkuvia osia, käyttökustannukset, vikatilat ja paljon muuta.
Kun jäähdytyselementti on liitetty lämmönlähteeseen, konvektio tapahtuu luonnollisesti lämpimän ilman noustessa, jolloin ilmavirtaus alkaa ja jatkuu.
Vaikka jäähdytyslevyt ovat helppokäyttöisiä, niissä on joitain haittoja:
1. Suuria lämpömääriä siirtävät jäähdytyselementit ovat tilaa vieviä, kalliita ja raskaita, ja ne on sijoitettava oikein, mikä vaikuttaa piirilevyn fyysiseen asetelmaan tai rajoittaa sitä.
2. Ilmavirran pöly saattaa tukkia evät, mikä heikentää tehokkuutta;
3. Se on liitettävä kunnolla lämmönlähteeseen, jotta lämpö pääsee sujuvasti virtaamaan lämmönlähteestä patteriin.
Lämmitysputki
Se on toinen tärkeä lämmönhallintasarjan komponentti, joka siirtää lämpöä pisteestä A pisteeseen B ilman aktiivista pakotusmekanismia.
Se sisältää sintratun ytimen ja suljetun metalliputken työnestettä, joka ei itse toimi jäähdytyselementtinä, vaan absorboi lämpöä lämmönlähteestä ja siirtää sen viileämpään paikkaan.
Lämpöputkia voidaan käyttää, kun lämmönlähteen lähellä ei ole tarpeeksi tilaa jäähdytyselementille tai kun ilmavirta on riittämätön.
Lämpöputket toimivat tehokkaasti ja siirtävät lämmön lähteestä paremmin hallittavaan paikkaan.
toimintaperiaate:
Lämmönlähde muuttaa työnesteen höyryksi suljetussa putkessa, ja höyry kuljettaa lämpöä lämpöputken viileämpään päähän. Tässä lopussa höyry tiivistyy nesteeksi ja vapauttaa lämpöä, ja neste palaa kuumempaan päähän.
Tämä kaasu-neste-tilan siirtymäprosessi toimii jatkuvasti ja sitä ohjaa vain kylmän ja kuuman pään välinen lämpötilaero.
Jäähdytyslevyn tai muun jäähdytyslaitteen liittäminen kylmään päähän voi ratkaista lämmönpoisto-ongelman paikallisista kuumista kohdista, joissa ilmavirtaus on estetty.
tuuletin
Se on ensimmäinen askel kohti pakotettua ilmajäähdytteistä aktiivista jäähdytyslaitetta, joka jättää passiiviset patterit ja lämpöputket pois, mutta tuulettimilla on myös omat päänsäryt:
1. Nosta kustannuksia, vie tilaa ja lisää järjestelmän melua;
2. Se on altis vikaantumiselle, kuluttaa energiaa ja vaikuttaa koko järjestelmän tehokkuuteen.
Mutta monissa tapauksissa, varsinkin kun ilmavirtausreitti on kaareva, pystysuora tai tukkeutunut, ne ovat usein ainoa tapa saada riittävä ilmavirta.
Avainparametri, joka määrittää puhaltimen tehon, on yksikköpituus tai yksikkötilavuusvirtaus minuutissa.
Fyysinen koko on kuitenkin ongelma: suuri tuuletin alhaisella nopeudella voi tuottaa saman ilmavirran kuin pieni tuuletin suurella nopeudella, joten koon ja nopeuden välillä on kompromissi.
Mallintaminen ja kattava simulointi
Itsenäiset passiivijärjestelmät ovat kooltaan suurempia, mutta luotettavampia ja tehokkaampia, kun taas puhaltimet voivat toimia tilanteissa, joissa passiivista jäähdytystä ei voida käyttää yksinään.
Mikä järjestelmä valita jäähdytykseen, voi usein olla vaikea päätös.
Tässä tarvitaan mallintamista ja simulointia sen määrittämiseksi, kuinka paljon jäähdytystä tarvitaan ja miten se saavutetaan, mikä on ratkaisevan tärkeää tehokkaan lämmönhallintastrategian kannalta.
Pienoismalleissa lämmönlähteille ja niiden lämmönvirtausreitille on tunnusomaista niiden lämpövastus, joka määräytyy käytetyn materiaalin, massan ja koon mukaan.
Mallintaminen, joka osoittaa kuinka lämpö virtaa lämmönlähteestä, on myös ensimmäinen askel arvioitaessa komponentteja, jotka aiheuttavat lämpöhäiriön omasta lämmönhajoamisestaan.
Laitetoimittajat, kuten suuren lämpöhäviön IC:t, MOSFETit ja IGBT:t, tarjoavat usein lämpömalleja, jotka tarjoavat yksityiskohtia lämpöreitistä lämmönlähteestä laitteen pintaan.
Kun eri komponenttien lämpökuormat tunnetaan, seuraava vaihe on mallinnus makrotasolla, mikä on niin yksinkertaista kuin monimutkaista:
Eri lämmönlähteistä tuleva ilmavirta on mitoitettu pitämään lämpötilansa sallittujen rajojen alapuolella; peruslaskelmat suoritetaan käyttämällä ilman lämpötilaa, käytettävissä olevaa pakottamatonta ilmavirtaa, tuulettimen ilmavirtaa ja muita tekijöitä karkean käsityksen saamiseksi lämpötilaolosuhteista.
Seuraavaksi tulee monimutkaisempi mallinnus koko tuotteesta ja sen pakkauksesta kunkin lämmönlähteen mallin ja sijainnin, PC-levyn, kotelon pinnan ja muiden tekijöiden perusteella.
Lopuksi mallintamisen on ratkaistava kaksi ongelmaa:
1. Huippu- ja keskimääräisen hajoamisen ongelma. Esimerkiksi vakaan tilan komponentilla, joka haihduttaa 1 W lämpöä jatkuvasti, on erilainen lämpövaikutus kuin laitteella, joka hajottaa 10 W lämpöä, mutta jonka käyttöjakso on 10 prosenttia.
Tämä tarkoittaa, että keskimääräinen lämmönhäviö on sama ja siihen liittyvä lämpömassa ja lämpövirta tuottaa erilaisia lämmönjakaumia. Useimmat CFD-sovellukset voidaan analysoida staattisen ja dynaamisen yhdistelmän avulla.
2. Epätäydellisyydet komponenttien ja mikromallipintojen välisissä fyysisissä liitännöissä, kuten IC-paketin yläosan ja jäähdytyselementin välinen fyysinen yhteys.
Jos liitoksella on pieni jako, tämän polun lämpövastus kasvaa ja kontaktipinnalla oleva lämpötyyny on täytettävä polun lämmönjohtavuuden parantamiseksi.
Lämmönhallinta voi alentaa komponenttien lämpötilaa virtalähteessä ja sisäisessä ympäristössä, mikä voi pidentää tuotteen käyttöikää ja parantaa luotettavuutta.
