Конструкция теплового охлаждения для устройств питания

Все мы знаем, что управление температурным режимом является важным аспектом управления питанием. Он должен поддерживать компоненты и системы в температурных пределах. Пассивные решения начинаются с радиаторов и тепловых трубок и могут использовать вентиляторы для активного охлаждения для усиления эффекта охлаждения.

Моделирование системы на уровне компонентов и на уровне готового продукта позволяет разработчикам проводить приблизительный анализ стратегии охлаждения первого порядка. Использование вычислительной гидродинамики для дальнейшего анализа может полностью понять общую ситуацию с теплом и влияние изменений в стратегии охлаждения. Все решения по управлению тепловым режимом включают компромиссы между размером, мощностью, эффективностью, весом, надежностью и стоимостью и должны учитывать приоритеты и ограничения проекта.

Все решения по управлению температурным режимом следуют основным принципам физики. В режиме охлаждения возможны три пути теплопроводности: излучение, теплопроводность и конвекция.

Для большинства электронных систем охлаждение, необходимое для достижения, заключается в том, чтобы позволить теплу покинуть прямой источник тепла за счет теплопроводности, а затем передать его в другие места за счет конвекции. Задача проектирования состоит в том, чтобы объединить различные аппаратные средства управления температурным режимом для эффективного достижения требуемой теплопроводности и конвекции. Наиболее часто используются три охлаждающих элемента: радиатор, тепловая трубка и вентилятор. Радиаторы и тепловые трубки представляют собой пассивные системы охлаждения без электропитания, включающие в себя также методы естественной проводимости и конвекции. Напротив, вентилятор представляет собой активную систему принудительного воздушного охлаждения.

Охлаждение радиатора:

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 реализации конвекции. Радиаторы бывают тысяч размеров и форм, от маленьких штампованных металлических ребер, соединяющих один транзистор, до больших профилей с множеством ребер, которые могут перехватывать и передавать тепло конвективному воздушному потоку.

Одним из преимуществ радиатора является отсутствие движущихся частей, эксплуатационных расходов и отказов. Как только радиатор подходящего размера подключен к источнику тепла, по мере подъема теплого воздуха естественным образом возникает конвекция, начиная и продолжая формировать воздушный поток. Поэтому эти преимущества очень важны при использовании радиатора для обеспечения плавного потока воздуха между входом и выходом источника тепла. При этом вход должен быть ниже радиатора, а выход выше; В противном случае горячий воздух будет застаиваться на источнике тепла, что еще больше усугубит ситуацию.

Добавление тепловых трубок:

Функция тепловой трубы состоит в том, чтобы поглощать тепло от источника тепла и передавать его в более холодную область, но сама по себе она не действует как радиатор. Когда рядом с источником тепла недостаточно места для размещения радиатора или недостаточно притока воздуха, можно использовать тепловую трубку. Тепловая трубка имеет высокий КПД и может передавать тепло от источника в более удобное для управления место.

Добавление охлаждающего вентилятора:

Очевидно, что вентиляторы увеличат затраты, потребуют места и увеличат системный шум. Вентилятор, как электромеханическое устройство, также подвержен отказам, что потребляет энергию и влияет на эффективность всей системы. Однако во многих случаях, особенно когда путь потока воздуха искривлен, вертикальен или заблокирован, обычно это единственный способ получить достаточный поток воздуха. Во многих приложениях используются вентиляторы с терморегулированием, которые работают только тогда, когда это необходимо для снижения скорости, тем самым снижая энергопотребление, и используют лопасти, которые минимизируют шум при оптимальной рабочей скорости.

Моделирование и тепловое моделирование:

Моделирование и симуляция необходимы для эффективной стратегии управления температурным режимом, чтобы определить, сколько охлаждающего воздуха требуется и как достигается охлаждение. Воздушный поток через различные источники тепла может регулироваться таким образом, чтобы поддерживать его температуру ниже допустимого предела. Используя температуру воздуха, доступный поток ненагнетаемого воздуха, поток воздуха от вентилятора и другие факторы для основных расчетов, мы можем примерно понять температурный режим.

Внося некоторые коррективы, разработчики могут увидеть, требуется ли больше воздуха для более крупных отверстий, определить, являются ли другие пути воздушного потока более эффективными, определить различия в использовании более крупных или разных радиаторов, исследовать использование тепловых трубок для перемещения горячих точек и т. д. Эти пакеты программного обеспечения для моделирования CFD могут генерировать табличные данные и цветные изображения рассеивания тепла. Изменения размера вентилятора, воздушного потока и положения также легко моделируются.

Управление питанием, а также управление температурным режимом, особенно то, как охлаждение функций, связанных с питанием, повлияет на тепловой расчет и накопление тепла. Кроме того, даже если компоненты и системы продолжают работать в пределах диапазона спецификации, повышение температуры приведет к изменению производительности при изменении параметров компонентов. Перегрев также может сократить срок службы компонентов и, таким образом, сократить среднее время наработки на отказ, что также является фактором, который необходимо учитывать для обеспечения долгосрочной надежности.