Glavne rešitve toplotnega upravljanja napajanja
Upravljanje toplote je v skladu z osnovnimi principi fizike. Obstajajo trije načini prevodnosti toplote: sevanje, prevodnost in konvekcija.
Za večino elektronskih sistemov je za dosego zahtevanega hlajenja najprej pustiti toploto zapustiti vir toplote s prevodnostjo, nato pa jo prenesti na druga mesta s konvekcijo.
Pri izvajanju toplotnega načrtovanja je potrebno kombinirati različno strojno opremo za upravljanje toplote, da učinkovito dosežemo zahtevano prevodnost in konvekcijo.
Obstajajo trije najpogosteje uporabljeni hladilni deli: hladilniki, toplotne cevi in ventilatorji.
Hladilno telo in toplotna cev sta pasivna hladilna sistema brez napajanja, ventilator pa je aktivni sistem za prisilno hlajenje.
Radiator je aluminijasta ali bakrena konstrukcija, ki lahko pridobi toploto iz vira toplote s prevajanjem in prenese toploto v zračni tok (v nekaterih primerih v vodo ali druge tekočine), da doseže konvekcijo.
Hladilniki so na voljo v tisočih velikostih in oblikah, od majhnih vtisnjenih kovinskih rebrov, ki povezujejo en sam tranzistor, do velikih iztiskov s številnimi plavutmi (prsti), ki lahko prestrežejo konvektivni zračni tok in mu prenesejo toploto.
Radiator ima prednosti brez gibljivih delov, obratovalnih stroškov, načinov okvar itd.
Ko je radiator priključen na vir toplote, ko se topel zrak dviga, bo naravno prišlo do konvekcije, ki bo začela in nadaljevala tvorjenje zračnega toka.
Čeprav je radiator enostaven za uporabo, ima nekaj pomanjkljivosti:
Radiator, ki oddaja veliko toploto, je velik, drag in težak in mora biti nameščen pravilno, kar bo vplivalo ali omejilo fizično postavitev vezja;
Rebra lahko blokira prah v zračnem toku, kar zmanjša učinkovitost;
Mora biti pravilno priključen na vir toplote, da lahko toplota nemoteno teče od vira toplote do radiatorja.
Toplotna cev
Je še ena pomembna komponenta paketa za upravljanje s toploto, ki lahko prenaša toploto od točke A do točke B brez kakršne koli oblike aktivnega prisilnega mehanizma.
Vsebuje sintrano jedro in zaprto kovinsko cev z delovno tekočino. Sam po sebi ne deluje kot radiator. Njegova funkcija je, da absorbira toploto iz vira toplote in jo prenese v hladnejše območje.
Toplotne cevi se lahko uporabijo, ko v bližini vira toplote ni dovolj prostora za namestitev radiatorja ali je pretok zraka nezadosten. Toplotna cev ima visoko delovno učinkovitost in lahko prenaša toploto iz vira na mesto, ki je bolj priročno za upravljanje.
Njegovo načelo delovanja je preprosto in iznajdljivo:
Vir toplote pretvori delovno tekočino v paro v zaprti cevi, para pa prenaša toploto na hladnejši konec toplotne cevi. Na tem koncu se para kondenzira v tekočino in sprosti toploto, medtem ko se tekočina vrne na toplejši konec.
Ta proces transformacije plin-tekočina teče neprekinjeno in ga poganja samo temperaturna razlika med hladnim in vročim koncem. Priključitev radiatorja ali druge hladilne naprave na hladnem koncu lahko reši problem odvajanja toplote lokalnih vročih točk, kjer je pretok zraka blokiran.
Ventilator
To je prvi korak k prisilno hlajenemu aktivnemu hladilnemu telesu, poleg pasivnih radiatorjev in toplotnih cevi, vendar imajo ventilatorji tudi slabosti:
visoki stroški, potreben prostor, povečanje hrupa sistema;
Nagnjeni k okvaram, porabijo energijo in vplivajo na učinkovitost celotnega sistema
Toda v mnogih primerih, zlasti kadar je pot zračnega toka ukrivljena, navpična ali ni gladka, so običajno edini način za zadosten pretok zraka.
Ključni parameter, ki določa zmogljivost ventilatorja, je dolžina enote ali enotni volumenski pretok zraka na minuto.
Vendar pa je fizična velikost problem: velik ventilator z nizko hitrostjo vrtenja lahko proizvede enak pretok zraka kot majhen ventilator z visoko hitrostjo vrtenja, zato obstaja kompromis med velikostjo in hitrostjo.
Modeliranje in celovita simulacija
Ločeni pasivni sistemi so večjih dimenzij, vendar bolj zanesljivi in učinkoviti, ventilatorji pa lahko igrajo vlogo v situacijah, ko pasivnega hlajenja ni mogoče uporabiti samostojno.
Kateri sistem izbrati za hlajenje je pogosto težka odločitev.
V tem času je treba z modeliranjem in simulacijo določiti, koliko hladilnega zraka je potrebno in kako doseči hlajenje, kar je bistveno za učinkovite strategije upravljanja s toploto.
Za miniaturni model je vir toplote in njegova pot toplotnega toka značilna njihova toplotna upornost, toplotna upornost pa je določena z uporabljenim materialom, kakovostjo in velikostjo.
Modeliranje prikazuje, kako toplota teče iz vira toplote, in je tudi prvi korak pri ocenjevanju komponent, ki povzročajo toplotne nesreče zaradi lastnega odvajanja toplote.
Na primer, dobavitelji naprav, kot so IC-ji z visokim odvajanjem toplote, MOSFET-ji in IGBT-ji, običajno zagotavljajo toplotne modele, ki lahko zagotovijo podrobnosti o toplotni poti od vira toplote do površine naprave.
Ko je toplotna obremenitev vsake komponente znana, je naslednji korak modeliranje na makro ravni, ki je preprosta in zapletena:
Prilagodite velikost pretoka zraka skozi različne vire toplote, da ohranite temperaturo pod dovoljeno mejo; uporabite temperaturo zraka, razpoložljivi pretok neprisiljenega zraka, pretok zraka ventilatorja in druge dejavnike za izvedbo osnovnih izračunov za približno razumevanje temperaturne situacije.
Naslednji korak je uporaba modela in lokacije posameznega vira toplote, PC plošče, površine lupine in drugih dejavnikov za izvedbo kompleksnejšega modeliranja celotnega izdelka in njegove embalaže.
Končno mora modeliranje rešiti dve težavi:
Problem največje in povprečne disipacije. Na primer, komponenta v stanju dinamičnega ravnovesja z neprekinjenim toplotnim odvajanjem 1 W in naprava s toplotno disipacijo 10 W, vendar z 10-odstotnim vmesnim delovnim ciklom imata različne toplotne učinke.
To pomeni, da je povprečna toplotna disipacija enaka, povezana toplotna masa in toplotni tok pa bosta povzročila različno porazdelitev toplote. Večina aplikacij CFD lahko združuje statično in dinamično analizo.
Nepopolnost fizične povezave med površino komponente in miniaturnim modelom, kot je fizična povezava med vrhom IC paketa in hladilnikom.
Če ima povezava majhno razdaljo, se bo toplotna upornost te poti povečala, zato je treba kontaktno površino napolniti s toplotno blazinico, da se poveča toplotna prevodnost poti.
Toplotno upravljanje lahko zmanjša temperaturo komponent v napajalniku in notranjem okolju, kar lahko podaljša življenjsko dobo izdelka in izboljša zanesljivost.
Toda upravljanje s toploto je integriran koncept, če ga razčlenimo na malenkosti, je velika tema.
Vključuje kompromise glede velikosti, moči, učinkovitosti, teže, zanesljivosti in stroškov. Oceniti je treba prednost in omejitve projekta.
