De viktigste termiske styringsløsningene for strømforsyning

Termisk styring følger fysikkens grunnleggende prinsipper. Det er tre måter for varmeledning: stråling, ledning og konveksjon.

For de fleste elektroniske systemer er for å oppnå den nødvendige kjølingen først å la varmen forlate varmekilden ved ledning, og deretter overføre den til andre steder ved konveksjon.

Når du utfører termisk design, er det nødvendig å kombinere forskjellige termiske styringsmaskiner for å effektivt oppnå den nødvendige ledning og konveksjon.

Det er tre mest brukte kjølekomponenter: kjøleribber, varmerør og vifter.

Kjøleribben og varmerøret er passive kjølesystemer uten strømforsyning, mens viften er et aktivt tvungen luftkjølesystem.

Radiatoren er en aluminium- eller kobberstruktur som kan hente varme fra en varmekilde gjennom ledning og overføre varmen til luftstrømmen (i noen tilfeller til vann eller andre væsker) for å oppnå konveksjon.

Varmeavledere kommer i tusenvis av størrelser og former, fra små stemplede metallfinner som forbinder en enkelt transistor til store profiler med mange finner (fingre) som kan fange opp konvektiv luftstrøm og overføre varme til den.

Radiatoren har fordelene med ingen bevegelige deler, driftskostnader, feilmoduser osv.

Når radiatoren er koblet til varmekilden, ettersom den varme luften stiger, vil konveksjon naturlig forekomme, og dermed starte og fortsette å danne en luftstrøm.

Selv om radiatoren er enkel å bruke, er det noen ulemper:

• Radiatoren som overfører stor varme er stor, kostbar og tung, og må plasseres riktig, noe som vil påvirke eller begrense den fysiske utformingen av kretskortet;

• 
  

• Finnene kan bli blokkert av støv i luftstrømmen, noe som reduserer effektiviteten;

• 
  

• Den må være riktig koblet til varmekilden slik at varmen kan strømme fra varmekilden til radiatoren jevnt.

Varme rør

Det er en annen viktig komponent i den termiske styringspakken, som kan overføre varme fra punkt A til punkt B uten noen form for aktiv kraftmekanisme.

Den inneholder en sintret kjerne og et forseglet metallrør med arbeidsvæske. Den fungerer ikke som en radiator i seg selv. Dens funksjon er å absorbere varme fra varmekilden og overføre den til et kaldere område.

Varmerør kan brukes når det ikke er nok plass i nærheten av varmekilden til å plassere radiatoren eller luftstrømmen er utilstrekkelig. Varmerøret har høy arbeidseffektivitet og kan overføre varme fra kilden til et sted som er mer praktisk å administrere.

Arbeidsprinsippet er enkelt og genialt:

Varmekilden omdanner arbeidsvæsken til damp i det forseglede røret, og dampen overfører varmen til den kaldere enden av varmerøret. I denne enden kondenserer dampen til væske og frigjør varme, mens væsken går tilbake til den varmere enden.

Denne gass-væske transformasjonsprosessen går kontinuerlig og drives kun av temperaturforskjellen mellom den kalde enden og den varme enden. Å koble til en radiator eller annen kjøleenhet i den kalde enden kan løse varmespredningsproblemet til lokale varme punkter der luftstrømmen er blokkert.

Fan

Det er det første steget mot en tvangsluftkjølt aktiv kjøleribbe, bortsett fra passive radiatorer og varmerør, men vifter har også ulemper:

høye kostnader, trenger plass, øker systemstøyen;

Utsatt for feil, bruker energi og påvirker effektiviteten til hele systemet

Men i mange tilfeller, spesielt når luftstrømbanen er buet, vertikal eller ikke jevn, er de vanligvis den eneste måten å oppnå tilstrekkelig luftstrøm på.

Nøkkelparameteren som definerer kapasiteten til en vifte er enhetslengden eller enhetsvolumstrømningshastigheten til luft per minutt.

Fysisk størrelse er imidlertid et problem: En stor vifte med lav rotasjonshastighet kan produsere samme luftstrøm som en liten vifte med høy rotasjonshastighet, så det er en avveining mellom størrelse og hastighet.

Modellering og omfattende simulering

Separate passive systemer er større i størrelse, men mer pålitelige og effektive, og vifter kan spille en rolle i situasjoner der passiv kjøling ikke kan brukes alene.

Hvilket system du skal velge for kjøling er ofte en vanskelig avgjørelse.

På dette tidspunktet er det nødvendig å bestemme hvor mye kjøleluft som trengs og hvordan man oppnår kjøling gjennom modellering og simulering, noe som er avgjørende for effektive termiske styringsstrategier.

For miniatyrmodellen er varmekilden og dens varmestrømningsbane preget av deres termiske motstand, og den termiske motstanden bestemmes av materialet, kvaliteten og størrelsen som brukes.

Modellering viser hvordan varme strømmer fra varmekilden og er også første trinn i å evaluere komponenter som forårsaker termiske ulykker på grunn av deres egen varmespredning.

For eksempel leverer enhetsleverandører som IC-er med høy varmespredning, MOSFET-er og IGBT-er vanligvis termiske modeller som kan gi detaljer om den termiske banen fra varmekilden til overflaten av enheten.

Når den termiske belastningen til hver komponent er kjent, er neste trinn å modellere på et makronivå, som er både enkelt og komplekst:

Juster størrelsen på luftstrømmen gjennom ulike varmekilder for å holde temperaturen under den tillatte grensen; bruk lufttemperatur, utvungen luftstrøm tilgjengelig strøm, vifteluftstrøm og andre faktorer for å utføre grunnleggende beregninger for å forstå temperatursituasjonen grovt.

Det neste trinnet er å bruke modellen og plasseringen av hver varmekilde, PC-kort, skalloverflate og andre faktorer for å utføre mer kompleks modellering av hele produktet og dets emballasje.

Til slutt må modellering løse to problemer:

Problemet med topp og gjennomsnittlig spredning. For eksempel har en stabil komponent med en kontinuerlig termisk spredning på 1W og en enhet med en termisk spredning på 10W, men med en 10 % intermitterende driftssyklus, forskjellige termiske effekter.

Det vil si at den gjennomsnittlige varmespredningen er den samme, og den tilhørende varmemassen og varmestrømmen vil gi ulike varmefordelinger. De fleste CFD-applikasjoner kan kombinere statisk og dynamisk analyse.

Ufullkommenheten i den fysiske forbindelsen mellom overflaten av komponenten og miniatyrmodellen, for eksempel den fysiske forbindelsen mellom toppen av IC-pakken og kjøleribben.

Hvis forbindelsen har en liten avstand, vil den termiske motstanden til denne banen øke, og det er nødvendig å fylle kontaktflaten med en termisk pute for å forbedre banens termiske ledningsevne.

Termisk styring kan redusere temperaturen på komponentene i strømforsyningen og det interne miljøet, noe som kan forlenge produktets levetid og forbedre påliteligheten.

Men termisk styring er et integrert konsept, hvis det brytes ned til detaljene, er det et stort emne.

Det innebærer avveininger av størrelse, kraft, effektivitet, vekt, pålitelighet og kostnad. Prioriteten og begrensningene til prosjektet må evalueres.