De viktigaste värmeledningslösningarna för strömförsörjning

Termisk hantering följer fysikens grundläggande principer. Det finns tre sätt för värmeledning: strålning, ledning och konvektion.

För de flesta elektroniska system är för att uppnå den erforderliga kylningen att först låta värmen lämna värmekällan genom ledning och sedan överföra den till andra platser genom konvektion.

När du utför termisk design är det nödvändigt att kombinera olika värmehanteringshårdvaror för att effektivt uppnå den erforderliga ledning och konvektion.

Det finns tre mest använda kylkomponenter: kylflänsar, värmerör och fläktar.

Kylflänsen och värmeröret är passiva kylsystem utan strömförsörjning, medan fläkten är ett aktivt forcerad luftkylningssystem.

Radiatorn är en aluminium- eller kopparstruktur som kan erhålla värme från en värmekälla genom ledning och överföra värmen till luftflödet (i vissa fall till vatten eller andra vätskor) för att uppnå konvektion.

Kylflänsar finns i tusentals storlekar och former, från små stansade metallfenor som förbinder en enda transistor till stora profiler med många fenor (fingrar) som kan fånga upp konvektivt luftflöde och överföra värme till det.

Kylaren har fördelarna med inga rörliga delar, driftskostnader, fellägen etc.

När radiatorn väl är ansluten till värmekällan, när den varma luften stiger, kommer konvektion naturligt att uppstå, vilket startar och fortsätter att bilda ett luftflöde.

Även om kylaren är enkel att använda, finns det några nackdelar:

• Radiatorn som överför stor värme är stor, kostsam och tung och måste placeras korrekt, vilket kommer att påverka eller begränsa den fysiska layouten på kretskortet;

• 
  

• Fenorna kan blockeras av damm i luftflödet, vilket minskar effektiviteten;

• 
  

• Den måste vara ordentligt ansluten till värmekällan så att värmen kan strömma från värmekällan till radiatorn smidigt.

Värmeledning

Det är en annan viktig komponent i värmehanteringssviten, som kan överföra värme från punkt A till punkt B utan någon form av aktiv forceringsmekanism.

Den innehåller en sintrad kärna och ett förseglat metallrör av arbetsvätska. Den fungerar inte som en radiator i sig själv. Dess funktion är att absorbera värme från värmekällan och överföra den till ett kallare område.

Värmerör kan användas när det inte finns tillräckligt med utrymme nära värmekällan för att placera radiatorn eller luftflödet är otillräckligt. Värmeröret har hög arbetseffektivitet och kan överföra värme från källan till en plats som är mer bekväm att hantera.

Dess arbetsprincip är enkel och genialisk:

Värmekällan omvandlar arbetsvätskan till ånga i det förseglade röret, och ångan överför värmen till den kallare änden av värmeröret. I denna ände kondenserar ångan till vätska och avger värme, medan vätskan återgår till den varmare änden.

Denna process för omvandling av gas och vätska pågår kontinuerligt och drivs endast av temperaturskillnaden mellan den kalla änden och den varma delen. Att ansluta en radiator eller annan kylanordning i den kalla änden kan lösa värmeavledningsproblemet med lokala hot spots där luftflödet är blockerat.

Fläkt

Det är det första steget mot en tvångsluftkyld aktiv kylfläns, förutom passiva radiatorer och värmerör, men fläktar har också nackdelar:

hög kostnad, behöver utrymme, ökar systemets buller;

Benägna att misslyckas, förbruka energi och påverka effektiviteten i hela systemet

Men i många fall, särskilt när luftflödesvägen är krökt, vertikal eller ojämn, är de vanligtvis det enda sättet att få tillräckligt luftflöde.

Nyckelparametern som definierar en fläkts kapacitet är enhetslängden eller enhetsvolymflödet av luft per minut.

Den fysiska storleken är dock ett problem: en stor fläkt med låg rotationshastighet kan producera samma luftflöde som en liten fläkt med hög rotationshastighet, så det finns en avvägning mellan storlek och hastighet.

Modellering och omfattande simulering

Separata passiva system är större i storlek, men mer pålitliga och effektiva, och fläktar kan spela en roll i situationer där passiv kylning inte kan användas ensam.

Vilket system man ska välja för kylning är ofta ett svårt beslut.

Vid denna tidpunkt är det nödvändigt att bestämma hur mycket kylluft som behövs och hur man uppnår kylning genom modellering och simulering, vilket är väsentligt för effektiva värmehanteringsstrategier.

För miniatyrmodellen kännetecknas värmekällan och dess värmeflödesväg av deras termiska motstånd, och det termiska motståndet bestäms av materialet, kvaliteten och storleken som används.

Modellering visar hur värme strömmar från värmekällan och är också det första steget i att utvärdera komponenter som orsakar termiska olyckor på grund av sin egen värmeavledning.

Till exempel tillhandahåller enhetsleverantörer som hög värmeavledning IC, MOSFET och IGBT vanligtvis termiska modeller som kan ge detaljer om den termiska vägen från värmekällan till enhetens yta.

När den termiska belastningen för varje komponent är känd, är nästa steg att modellera på makronivå, vilket är både enkelt och komplext:

Justera storleken på luftflödet genom olika värmekällor för att hålla dess temperatur under den tillåtna gränsen; använd lufttemperatur, otvunget luftflöde tillgängligt flöde, fläktluftflöde och andra faktorer för att utföra grundläggande beräkningar för att grovt förstå temperatursituationen.

Nästa steg är att använda modellen och placeringen av varje värmekälla, PC-kort, skalyta och andra faktorer för att utföra mer komplex modellering av hela produkten och dess förpackning.

Slutligen måste modellering lösa två problem:

Problemet med topp- och medelavledning. Till exempel har en stationär komponent med en kontinuerlig termisk avledning på 1W och en enhet med en termisk avledning på 10W men med en 10% intermittent driftcykel olika termiska effekter.

Det vill säga, den genomsnittliga värmeavledningen är densamma, och den relaterade värmemassan och värmeflödet kommer att producera olika värmefördelningar. De flesta CFD-applikationer kan kombinera statisk och dynamisk analys.

Ofullkomligheten i den fysiska kopplingen mellan ytan på komponenten och miniatyrmodellen, såsom den fysiska kopplingen mellan toppen av IC-paketet och kylflänsen.

Om anslutningen har ett litet avstånd, kommer det termiska motståndet för denna väg att öka, och det är nödvändigt att fylla kontaktytan med en termisk dyna 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.

Men termisk hantering är ett integrerat koncept, om det bryts ner till detaljerna är det ett enormt ämne.

Det handlar om avvägningar mellan storlek, kraft, effektivitet, vikt, tillförlitlighet och kostnad. Projektets prioritet och begränsningar måste utvärderas.