Основные решения по терморегулированию электроснабжения
Управление температурой подчиняется основным принципам физики. Есть три способа теплопроводности: излучение, теплопроводность и конвекция.
Для большинства электронных систем для достижения необходимого охлаждения необходимо сначала позволить теплу покинуть источник тепла за счет теплопроводности, а затем передать его в другие места за счет конвекции.
При выполнении теплового расчета необходимо комбинировать различные аппаратные средства управления тепловым режимом для эффективного достижения необходимой теплопроводности и конвекции.
Чаще всего используются три охлаждающих компонента: радиаторы, тепловые трубки и вентиляторы.
Радиатор и тепловая трубка представляют собой пассивные системы охлаждения без источника питания, а вентилятор - это активная система принудительного воздушного охлаждения.
Радиатор представляет собой алюминиевую или медную конструкцию, которая может получать тепло от источника тепла за счет теплопроводности и передавать тепло воздушному потоку (в некоторых случаях воде или другим жидкостям) для достижения конвекции.
Радиаторы бывают тысяч размеров и форм: от маленьких штампованных металлических ребер, которые соединяют один транзистор, до больших профилей с множеством ребер (пальцев), которые могут перехватывать конвективный поток воздуха и передавать ему тепло.
Радиатор имеет преимущества отсутствия движущихся частей, эксплуатационных затрат, режимов отказа и т. Д.
Когда радиатор подключен к источнику тепла, по мере того, как теплый воздух поднимается вверх, естественным образом возникает конвекция, которая запускает и продолжает формировать воздушный поток.
Хотя радиатор прост в использовании, есть некоторые недостатки:
Радиатор, передающий большое количество тепла, большой, дорогостоящий и тяжелый, и его необходимо размещать правильно, что повлияет на физическую компоновку печатной платы или ограничит ее;
Ребра могут быть заблокированы пылью в воздушном потоке, что снижает эффективность;
Он должен быть правильно подключен к источнику тепла, чтобы тепло могло плавно перетекать от источника тепла к радиатору.
Тепловая труба
Это еще один важный компонент системы управления температурным режимом, который может передавать тепло из точки A в точку B без какого-либо активного механизма нагнетания.
Он содержит спеченный сердечник и герметичную металлическую трубку с рабочей жидкостью. Сам по себе он не работает как радиатор. Его функция - поглощать тепло от источника тепла и передавать его в более холодное место.
Тепловые трубки можно использовать, когда рядом с источником тепла недостаточно места для установки радиатора или недостаточный воздушный поток. Тепловая трубка имеет высокую эффективность работы и может передавать тепло от источника в место, с которым удобнее управлять.
Принцип его работы прост и гениален:
Источник тепла преобразует рабочую жидкость в пар в герметичной трубке, и пар передает тепло более холодному концу тепловой трубки. На этом конце пар конденсируется в жидкость и выделяет тепло, в то время как жидкость возвращается к более горячему концу.
Этот процесс газожидкостного превращения протекает непрерывно и зависит только от разницы температур между холодным и горячим концом. Подключение радиатора или другого охлаждающего устройства на холодном конце может решить проблему рассеивания тепла в локальных горячих точках, где поток воздуха заблокирован.
Поклонник
Это первый шаг к активному радиатору с принудительным воздушным охлаждением, помимо пассивных радиаторов и тепловых трубок, но у вентиляторов есть и недостатки:
высокая стоимость, потребность в пространстве, повышенный уровень шума системы;
Склонны к сбоям, потребляют энергию и влияют на эффективность всей системы
Но во многих случаях, особенно когда путь воздушного потока изогнутый, вертикальный или неровный, они обычно являются единственным способом получить достаточный воздушный поток.
Ключевым параметром, определяющим производительность вентилятора, является его длина или удельный объемный расход воздуха в минуту.
Однако физический размер представляет собой проблему: большой вентилятор с низкой скоростью вращения может производить такой же воздушный поток, что и небольшой вентилятор с высокой скоростью вращения, поэтому существует компромисс между размером и скоростью.
Моделирование и комплексное моделирование
Отдельные пассивные системы больше по размеру, но более надежны и эффективны, а вентиляторы могут сыграть роль в ситуациях, когда пассивное охлаждение невозможно использовать отдельно.
Какую систему охлаждения выбрать для охлаждения - зачастую непростое решение.
В настоящее время необходимо определить, сколько охлаждающего воздуха необходимо и как добиться охлаждения посредством моделирования и симуляции, что важно для эффективных стратегий управления температурным режимом.
Для миниатюрной модели источник тепла и его путь теплового потока характеризуются своим тепловым сопротивлением, а тепловое сопротивление определяется используемым материалом, качеством и размером.
Моделирование показывает, как тепло течет от источника тепла, а также является первым шагом в оценке компонентов, которые вызывают тепловые аварии из-за собственного рассеивания тепла.
Например, поставщики устройств, такие как ИС с высоким тепловыделением, MOSFET и IGBT, обычно предоставляют тепловые модели, которые могут предоставить подробную информацию о тепловом пути от источника тепла к поверхности устройства.
После того, как известна тепловая нагрузка каждого компонента, следующим шагом будет моделирование на макроуровне, которое является одновременно простым и сложным:
Отрегулируйте размер воздушного потока через различные источники тепла, чтобы поддерживать его температуру ниже допустимого предела; Используйте температуру воздуха, свободный поток воздуха, доступный поток, воздушный поток вентилятора и другие факторы для выполнения основных расчетов, чтобы примерно понять температурную ситуацию.
Следующим шагом является использование модели и местоположения каждого источника тепла, печатной платы, поверхности корпуса и других факторов для выполнения более сложного моделирования всего продукта и его упаковки.
Наконец, моделирование должно решить две проблемы:
Проблема пиковой и средней диссипации. Например, стационарный компонент с непрерывным тепловыделением 1 Вт и устройство с тепловым рассеянием 10 Вт, но с прерывистым рабочим циклом 10% имеют разные тепловые эффекты.
Другими словами, среднее тепловыделение одинаково, а соответствующая тепловая масса и тепловой поток будут давать различное распределение тепла. Большинство приложений CFD могут сочетать статический и динамический анализ.
Несовершенство физического соединения между поверхностью компонента и миниатюрной моделью, например, физическое соединение между верхней частью корпуса ИС и радиатором.
Если соединение имеет небольшое расстояние, тепловое сопротивление этого пути будет увеличиваться, и необходимо заполнить контактную поверхность термопрокладкой, чтобы повысить теплопроводность пути.
Управление температурой может снизить температуру компонентов источника питания и внутренней среды, что может продлить срок службы продукта и повысить надежность.
Но управление температурным режимом - это комплексная концепция, а если разбить ее на мелочи, то это огромная тема.
Он включает компромисс между размером, мощностью, эффективностью, весом, надежностью и стоимостью. Необходимо оценить приоритетность и ограничения проекта.
