Az áramellátás főbb hőkezelési megoldásai
A hőkezelés a fizika alapelveinek engedelmeskedik. A hővezetésnek három módja van: sugárzás, vezetés és konvekció.
A legtöbb elektronikus rendszernél a szükséges hűtés eléréséhez először a hőt hagyják vezetés útján elhagyni a hőforrást, majd konvekcióval továbbítják más helyekre.
A termikus tervezés során a szükséges vezetés és konvekció hatékony elérése érdekében különféle hőkezelési hardvereket kell kombinálni.
Három leggyakrabban használt hűtőelem létezik: hűtőbordák, hőcsövek és ventilátorok.
A hűtőborda és a hőcső passzív hűtőrendszerek tápellátás nélkül, míg a ventilátor aktív kényszerlevegős hűtőrendszer.
A radiátor alumínium vagy réz szerkezet, amely hővezetés útján hőt nyerhet hőforrásból, és a hőt a légáramnak (egyes esetekben víznek vagy más folyadékoknak) továbbítja a konvekció elérése érdekében.
A hűtőbordák több ezer méretű és formájúak, a kis, préselt fém bordáktól, amelyek egyetlen tranzisztort kötnek össze, a nagy, sok bordával (ujjjal) rendelkező extrudálásokig, amelyek képesek felfogni a konvektív légáramlást, és átadni a hőt.
A radiátor előnye, hogy nincsenek mozgó alkatrészek, üzemeltetési költségek, meghibásodási módok stb.
Amint a radiátor csatlakoztatva van a hőforráshoz, ahogy a meleg levegő felemelkedik, a konvekció természetesen megtörténik, így beindul és tovább alakul a légáramlás.
Bár a radiátor könnyen használható, vannak hátrányai:
A nagy hőt átadó radiátor nagy, költséges és nehéz, és megfelelően kell elhelyezni, ami befolyásolja vagy korlátozza az áramköri lap fizikai elrendezését;
A légáramlásban lévő por eltömítheti a bordákat, ami csökkenti a hatékonyságot;
Megfelelően kell csatlakoztatni a hőforráshoz, hogy a hő zökkenőmentesen áramolhasson a hőforrásból a radiátorba.
Hővezeték
Ez egy másik fontos eleme a hőszabályozási csomagnak, amely mindenféle aktív kényszerítő mechanizmus nélkül képes hőt szállítani A pontból B pontba.
Egy szinterezett magot és egy lezárt fémcsövet tartalmaz munkafolyadékból. Önmagában nem működik radiátorként. Feladata az, hogy felszívja a hőt a hőforrásból, és hidegebb területre továbbítsa.
A hőcsövek akkor használhatók, ha a hőforrás közelében nincs elég hely a radiátor elhelyezéséhez, vagy nem elegendő a légáramlás. A hőcső magas működési hatásfokkal rendelkezik, és a hőt a forrásból egy kényelmesebben kezelhető helyre tudja továbbítani.
Működési elve egyszerű és ötletes:
A hőforrás a munkaközeget a lezárt csőben gőzzé alakítja, a gőz pedig a hőt a hőcső hidegebb végébe adja át. Ezen a végén a gőz folyadékká kondenzálódik és hőt bocsát ki, míg a folyadék visszatér a melegebb végbe.
Ez a gáz-folyadék átalakulási folyamat folyamatosan fut, és csak a hideg vég és a meleg vég közötti hőmérséklet-különbség hajtja. Radiátor vagy más hűtőberendezés csatlakoztatása a hideg végén megoldhatja a helyi forró pontok hőelvezetési problémáját, ahol a légáramlás elzáródott.
Ventilátor
Ez az első lépés a léghűtéses aktív hűtőborda felé, a passzív radiátorokon és hőcsöveken kívül, de a ventilátoroknak vannak hátrányai is:
magas költség, helyigény, növeli a rendszer zaját;
Hajlamos a meghibásodásra, energiát fogyaszt és befolyásolja az egész rendszer hatékonyságát
De sok esetben, különösen akkor, ha a légáramlási út ívelt, függőleges vagy nem sima, általában ez az egyetlen módja a megfelelő légáramlás biztosításának.
A ventilátor teljesítményét meghatározó kulcsparaméter a levegő egységnyi hossza vagy egységnyi térfogatárama percenként.
A fizikai méret azonban problémát jelent: egy nagy, alacsony fordulatszámú ventilátor ugyanolyan légáramot képes produkálni, mint egy nagy fordulatszámú kis ventilátor, így a méret és a sebesség között kompromisszum van.
Modellezés és átfogó szimuláció
A különálló passzív rendszerek nagyobb méretűek, de megbízhatóbbak és hatékonyabbak, a ventilátorok pedig szerepet játszhatnak olyan helyzetekben, amikor a passzív hűtés önmagában nem használható.
A hűtéshez melyik rendszert válasszuk, gyakran nehéz döntés.
Ekkor meg kell határozni, hogy mennyi hűtőlevegőre van szükség, és hogyan érhető el a hűtés modellezéssel és szimulációval, ami elengedhetetlen a hatékony hőkezelési stratégiákhoz.
A miniatűr modellnél a hőforrást és annak hőáramlási útját a hőellenállás jellemzi, a hőellenállást pedig a felhasznált anyag, minőség és méret határozza meg.
A modellezés megmutatja, hogyan áramlik ki a hő a hőforrásból, és egyben az első lépés a saját hőleadásuk miatt hőbaleseteket okozó komponensek kiértékelésében.
Például az olyan eszközök beszállítói, mint a nagy hőelvezetésű IC-k, MOSFET-ek és IGBT-k, általában olyan termikus modelleket kínálnak, amelyek részleteket szolgáltatnak a hőforrástól az eszköz felületéig vezető hőútról.
Miután az egyes komponensek hőterhelése ismert, a következő lépés a makroszintű modellezés, amely egyszerre egyszerű és összetett:
Állítsa be a különböző hőforrásokon átáramló levegő nagyságát, hogy hőmérséklete a megengedett határérték alatt maradjon; használja a levegő hőmérsékletét, a nem kényszerített levegőáramot, a ventilátor légáramlását és más tényezőket az alapvető számítások elvégzéséhez, hogy nagyjából megértse a hőmérsékleti helyzetet.
Következő lépésként az egyes hőforrások modelljét és elhelyezkedését, a PC-lemezt, a héjfelületet és egyéb tényezőket felhasználva végezzük el a teljes termék és csomagolásának összetettebb modellezését.
Végül a modellezésnek két problémát kell megoldania:
A csúcs és az átlagos disszipáció problémája. Például egy steady-state komponens 1W folyamatos hődisszipációval és egy 10W hőleadású, de 10%-os szakaszos munkaciklusú eszköz eltérő hőhatást fejt ki.
Ez azt jelenti, hogy az átlagos hőleadás azonos, és a kapcsolódó hőtömeg és hőáram eltérő hőeloszlást eredményez. A legtöbb CFD-alkalmazás kombinálhatja a statikus és a dinamikus elemzést.
Az alkatrész felülete és a miniatűr modell közötti fizikai kapcsolat tökéletlensége, például az IC-csomag teteje és a hűtőborda közötti fizikai kapcsolat.
Ha a kapcsolat kis távolságú, akkor ennek az útnak a hőellenállása megnő, és az érintkezési felületet hőpárnával kell kitölteni az út hővezető képességének növelése érdekében.
A hőkezelés csökkentheti a tápegység és a belső környezet összetevőinek hőmérsékletét, ami meghosszabbíthatja a termék élettartamát és javíthatja a megbízhatóságot.
De a hőkezelés egy integrált fogalom, apróságokra lebontva hatalmas téma.
Ez magában foglalja a méret, a teljesítmény, a hatékonyság, a súly, a megbízhatóság és a költségek kompromisszumát. Értékelni kell a projekt prioritását és korlátait.
