De vigtigste varmestyringsløsninger for strømforsyning

Termisk styring adlyder fysikkens grundlæggende principper. Der er tre måder at lede varme på: stråling, ledning og konvektion.

For de fleste elektroniske systemer er for at opnå den nødvendige køling først at lade varmen forlade varmekilden ved ledning og derefter overføre den til andre steder ved konvektion.

Når du udfører termisk design, er det nødvendigt at kombinere forskellige termiske styringshardware for effektivt at opnå den nødvendige ledning og konvektion.

Der er tre mest almindeligt anvendte kølekomponenter: køleplader, varmerør og blæsere.

Kølepladen og varmerøret er passive kølesystemer uden strømforsyning, mens ventilatoren er et aktivt tvungen luftkølesystem.

Radiatoren er en aluminium- eller kobberstruktur, der kan hente varme fra en varmekilde gennem ledning og overføre varmen til luftstrømmen (i nogle tilfælde til vand eller andre væsker) for at opnå konvektion.

Køleplader kommer i tusindvis af størrelser og former, fra små stemplede metalfinner, der forbinder en enkelt transistor, til store ekstruderinger med mange finner (fingre), der kan opfange konvektiv luftstrøm og overføre varme til den.

Radiatoren har fordelene ved ingen bevægelige dele, driftsomkostninger, fejltilstande osv.

Når først radiatoren er tilsluttet varmekilden, vil der naturligt forekomme konvektion, efterhånden som den varme luft stiger, og dermed starte og fortsætte med at danne en luftstrøm.

Selvom radiatoren er nem at bruge, er der nogle ulemper:

• Radiatoren, der overfører stor varme, er stor, dyr og tung og skal placeres korrekt, hvilket vil påvirke eller begrænse printkortets fysiske layout;

• 
  

• Finnerne kan blive blokeret af støv i luftstrømmen, hvilket reducerer effektiviteten;

• 
  

• Den skal være korrekt tilsluttet varmekilden, så varmen kan strømme fra varmekilden til radiatoren jævnt.

Varmerør

Det er en anden vigtig komponent i den termiske styringssuite, som kan overføre varme fra punkt A til punkt B uden nogen form for aktiv forceringsmekanisme.

Den indeholder en sintret kerne og et forseglet metalrør af arbejdsvæske. Den fungerer ikke som en radiator i sig selv. Dens funktion er at absorbere varme fra varmekilden og overføre den til et koldere område.

Varmerør kan bruges, når der ikke er plads nok i nærheden af ​​varmekilden til at placere radiatoren eller luftstrømmen er utilstrækkelig. Varmerøret har høj arbejdseffektivitet og kan overføre varme fra kilden til et sted, der er mere bekvemt at håndtere.

Dets arbejdsprincip er enkelt og genialt:

Varmekilden omdanner arbejdsvæsken til damp i det forseglede rør, og dampen overfører varmen til den koldere ende af varmerøret. I denne ende kondenserer dampen til væske og frigiver varme, mens væsken vender tilbage til den varmere ende.

Denne gas-væske omdannelsesproces kører kontinuerligt og drives kun af temperaturforskellen mellem den kolde ende og den varme ende. Tilslutning af en radiator eller anden køleanordning i den kolde ende kan løse varmeafledningsproblemet ved lokale hot spots, hvor luftstrømmen er blokeret.

Ventilator

Det er det første skridt mod en tvungen luftkølet aktiv køleplade, bortset fra passive radiatorer og varmerør, men ventilatorer har også ulemper:

høje omkostninger, brug for plads, øger systemstøjen;

Udsat for fejl, forbruger energi og påvirker effektiviteten af ​​hele systemet

Men i mange tilfælde, især når luftstrømmen er buet, lodret eller ujævn, er de normalt den eneste måde at opnå tilstrækkelig luftstrøm på.

Nøgleparameteren, der definerer en ventilators kapacitet, er enhedslængden eller enhedsvolumenstrømningshastigheden af ​​luft pr. minut.

Fysisk størrelse er dog et problem: En stor ventilator med lav omdrejningshastighed kan producere samme luftstrøm som en lille ventilator med høj rotationshastighed, så der er en afvejning mellem størrelse og hastighed.

Modellering og omfattende simulering

Separate passive systemer er større i størrelse, men mere pålidelige og effektive, og ventilatorer kan spille en rolle i situationer, hvor passiv køling ikke kan bruges alene.

Hvilket system man skal vælge til køling er ofte en svær beslutning.

På dette tidspunkt er det nødvendigt at bestemme, hvor meget køleluft, der er nødvendig, og hvordan man opnår køling gennem modellering og simulering, hvilket er afgørende for effektive termiske styringsstrategier.

For miniaturemodellen er varmekilden og dens varmestrømningsvej karakteriseret ved deres termiske modstand, og den termiske modstand bestemmes af det anvendte materiale, kvalitet og størrelse.

Modellering viser, hvordan varme strømmer fra varmekilden og er også det første trin i at evaluere komponenter, der forårsager termiske ulykker på grund af deres egen varmeafledning.

For eksempel leverer enhedsleverandører såsom høj varmeafledning IC'er, MOSFET'er og IGBT'er normalt termiske modeller, der kan give detaljer om den termiske vej fra varmekilden til overfladen af ​​enheden.

Når den termiske belastning af hver komponent er kendt, er næste trin at modellere på makroniveau, hvilket er både enkelt og komplekst:

Juster størrelsen af ​​luftstrømmen gennem forskellige varmekilder for at holde dens temperatur under den tilladte grænse; bruge lufttemperatur, utvunget luftstrøm tilgængeligt flow, blæserluftflow og andre faktorer til at udføre grundlæggende beregninger for groft at forstå temperatursituationen.

Det næste trin er at bruge modellen og placeringen af ​​hver varmekilde, printkort, skaloverflade og andre faktorer til at udføre mere kompleks modellering af hele produktet og dets emballage.

Endelig skal modellering løse to problemer:

Problemet med top- og gennemsnitsdissipation. For eksempel har en steady-state komponent med en kontinuerlig termisk dissipation på 1W og en enhed med en termisk dissipation på 10W, men med en 10 % intermitterende driftscyklus, forskellige termiske effekter.

Det vil sige, at den gennemsnitlige varmeafgivelse er den samme, og den tilhørende varmemasse og varmestrøm vil give forskellige varmefordelinger. De fleste CFD-applikationer kan kombinere statisk og dynamisk analyse.

Ufuldkommenheden af ​​den fysiske forbindelse mellem komponentens overflade og miniaturemodellen, såsom den fysiske forbindelse mellem toppen af ​​IC-pakken og kølepladen.

Hvis forbindelsen har en lille afstand, vil den termiske modstand af denne sti stige, og det er nødvendigt at fylde kontaktfladen med en termisk pude for at forbedre banens termiske ledningsevne.

Termisk styring kan reducere temperaturen på komponenterne i strømforsyningen og det interne miljø, hvilket kan forlænge produktets levetid og forbedre pålideligheden.

Men termisk styring er et integreret koncept, hvis det nedbrydes til detaljerne, er det et stort emne.

Det involverer afvejninger af størrelse, kraft, effektivitet, vægt, pålidelighed og omkostninger. Projektets prioritet og begrænsninger skal evalueres.