Strömförsörjningen genererar värme under drift, och den kontinuerliga temperaturhöjningen kommer att orsaka förändringar i prestanda, vilket så småningom kan leda till systemfel; dessutom kommer värmen också att förkorta komponenternas livslängd och påverka den långsiktiga tillförlitligheten.
En värmealstrande komponent, även om temperaturökningen överstiger dess tillåtna gräns, gör att hela systemet värms upp, det behöver inte betyda att hela systemet är överhettat, utan överskottsvärmen som genereras av komponenten måste avledas.
Så vart tar värmen vägen?
Försvinn till en svalare plats, antingen i anslutning till systemet och höljet, eller utanför höljet (endast möjligt om utsidan är kallare än insidan).
Värmehanteringslösningar
Termisk hantering följer fysikens grundläggande principer, och det finns tre sätt att leda värme: strålning, ledning och konvektion.
För de flesta elektroniska system uppnås den erforderliga kylningen genom att leda bort värme från värmekällan och sedan överföra den någon annanstans genom konvektion.
Termisk design kräver en kombination av olika värmehanteringshårdvaror för att effektivt uppnå den ledning och konvektion som krävs.
Det finns tre mest använda kylelement: kylflänsar, värmerör och fläktar.
Kylflänsar och värmerör är passiva kylsystem som inte kräver strömförsörjning, medan fläktar är ett aktivt luftkylningssystem.
kylfläns
En kylfläns är en aluminium- eller kopparstruktur som fångar värme från en värmekälla genom ledning och överför värmen till ett luftflöde (i vissa fall vatten eller andra vätskor) för konvektion.
Olika typer av radiatorer
Kylflänsar finns i tusentals storlekar och former, från små stansade metallfenor som förbinder enskilda transistorer till stora profiler med många fenor (fingrar) som fångar upp konvektivt luftflöde och överför värme till det luftflödet.
Kylflänsar har fördelen att de inte har några rörliga delar, driftskostnader, fellägen och mer.
När kylflänsen väl är ansluten till värmekällan, uppstår konvektion naturligt när den varma luften stiger, startar och fortsätter att skapa luftflöde.
Även om kylflänsar är lätta att använda, finns det några nackdelar:
1. Kylflänsar som överför stora mängder värme är skrymmande, dyra och tunga och måste placeras korrekt, vilket kommer att påverka eller begränsa den fysiska layouten på kretskortet;
2. Fenorna kan blockeras av damm i luftflödet, vilket minskar effektiviteten;
3. Den måste vara ordentligt ansluten till värmekällan så att värmen kan flyta smidigt från värmekällan till radiatorn.
Värmeledning
Det är en annan viktig komponent i värmehanteringssatsen, som överför värme från punkt A till punkt B utan någon form av aktiv forceringsmekanism.
Den innehåller en sintrad kärna och ett förseglat metallrör av arbetsvätska som inte fungerar som en kylfläns i sig, utan snarare absorberar värme från en värmekälla och överför den till ett svalare område.
Värmerör kan användas när det inte finns tillräckligt med utrymme för en kylfläns nära värmekällan eller när det inte finns tillräckligt med luftflöde.
Värmerör fungerar effektivt och överför värme från källan till en mer hanterbar plats.
arbetsprincip:
Värmekällan omvandlar arbetsvätskan till ånga i det förseglade röret, och ångan leder värme till den kallare änden av värmeröret. I denna ände kondenserar ångan till en vätska och avger värme, och vätskan återgår till den varmare änden.
Denna övergångsprocess för gas-vätsketillstånd löper kontinuerligt och drivs endast av temperaturskillnaden mellan den kalla och varma änden.
Att ansluta en kylfläns eller annan kylanordning på den kalla änden kan lösa problemet med värmeavledning från lokaliserade heta punkter där luftflödet är blockerat.
fläkt
Det är det första steget mot en tvångsluftkyld aktiv kylanordning, som tar bort passiva radiatorer och värmerör, men fläktar har också sin egen huvudvärk:
1. Öka kostnaden, kräva utrymme och öka systemets buller;
2. Det är benäget att misslyckas, förbrukar energi och påverkar effektiviteten i hela systemet.
Men i många fall, särskilt när luftflödesvägen är krökt, vertikal eller blockerad, är de ofta det enda sättet att få tillräckligt luftflöde.
Den nyckelparameter som definierar en fläkts kapacitet är enhetslängden eller enhetsvolymflödet av luft per minut.
Fysisk storlek är dock ett problem: en stor fläkt vid låg hastighet kan producera samma luftflöde som en liten fläkt vid hög hastighet, så det finns en kompromiss mellan storlek och hastighet.
Modellering och omfattande simulering
Fristående passiva system är större i storlek men är mer pålitliga och effektiva, medan fläktar kan fungera i situationer där passiv kylning ensam inte kan användas.
Vilket system man ska välja för kylning kan ofta vara ett svårt beslut.
Det är här som modellering och simulering behövs för att avgöra hur mycket kylning som behövs och hur man uppnår det, vilket är avgörande för en effektiv värmehanteringsstrategi.
För miniatyrmodeller kännetecknas värmekällor och deras vägar för värmeflöde av deras termiska motstånd, vilket bestäms av materialet, massan och storleken som används.
Modellering som visar hur värme strömmar från värmekällan är också det första steget i att utvärdera komponenter som orsakar värmefel på grund av sin egen värmeavledning.
Enhetsleverantörer som IC:er med hög värmeavledning, MOSFET:er och IGBT:er tillhandahåller ofta termiska modeller som ger detaljer om den termiska vägen från värmekällan till enhetens yta.
När de termiska belastningarna för de olika komponenterna är kända, är nästa steg att modellera på makronivå, vilket är lika enkelt som det är komplext:
Luftflödet från olika värmekällor är dimensionerat för att hålla dess temperatur under tillåtna gränser; grundläggande beräkningar utförs med hjälp av lufttemperatur, oforcerat luftflöde tillgängligt, fläktluftflöde och andra faktorer för att få en ungefärlig uppfattning om temperaturförhållandena.
Därefter kommer en mer komplex modellering av hela produkten och dess förpackning med hjälp av modellen och placeringen av varje värmekälla, PC-kortet, höljets yta och andra faktorer.
Slutligen måste modellering lösa två problem:
1. Problemet med topp- och medelförlust. Till exempel har en stationär komponent som leder bort 1W värme kontinuerligt en annan termisk påverkan än en enhet som avleder 10W värme men har en intermittent arbetscykel på 10 procent.
Detta innebär att den genomsnittliga värmeavledningen är densamma, och den tillhörande termiska massan och värmeflödet kommer att ge olika värmefördelningar. De flesta CFD-applikationer kan analyseras med en kombination av statisk och dynamisk.
2. Ofullkomligheter i fysiska kopplingar mellan komponenter och mikromodellytor, såsom den fysiska kopplingen mellan toppen av IC-paketet och kylflänsen.
Om anslutningen har en liten stigning, kommer det termiska motståndet för denna väg att öka, och det är nödvändigt att fylla värmedynan på kontaktytan för att förbättra banans värmeledningsförmåga.
Termisk hantering kan minska temperaturen på komponenterna i strömförsörjningen och den interna miljön, vilket kan förlänga produktens livslängd och förbättra tillförlitligheten.
