Termisk kylningsdesign för strömförsörjningsenheter

Vi vet alla att värmehantering är en viktig aspekt av energihantering. Det måste hålla komponenter och system inom temperaturgränser. Passiva lösningar börjar med kylflänsar och värmerör, och kan använda fläktar för aktiv kylning för att förstärka kyleffekten.

Systemmodellering på komponentnivå och färdig produktnivå gör det möjligt för designers att göra en första ordningens ungefärlig analys av kylstrategin. Genom att använda beräkningsvätskedynamik för ytterligare analys kan man till fullo förstå den övergripande värmesituationen och effekterna av förändringar i kylstrategin. Alla värmehanteringslösningar innebär avvägningar i storlek, effekt, effektivitet, vikt, tillförlitlighet och kostnad, och måste utvärdera projektets prioriteringar och begränsningar.

Alla värmehanteringslösningar följer fysikens grundläggande principer. I kylläget finns det tre sätt för värmeledning: strålning, ledning och konvektion

För de flesta elektroniska system är kylningen som krävs för att uppnå att låta värmen lämna den direkta värmekällan genom ledning och sedan överföra den till andra platser genom konvektion. Designutmaningen är att kombinera olika hårdvara för värmehantering för att effektivt uppnå den erforderliga ledning och konvektion. Det finns tre mest använda kylelement: radiator, värmerör och fläkt. Radiatorer och värmerör är passiva kylsystem utan strömförsörjning, vilket även inkluderar naturligt inducerade lednings- och konvektionsmetoder. Däremot är fläkten ett aktivt forcerad luftkylningssystem.

Kylfläns kylning:

Kylflänsen är en aluminium- eller kopparstruktur, som kan erhålla värme från värmekällan genom ledning och överföra värmen till luftflödet (i vissa fall till vatten eller andra vätskor) för att realisera konvektion. Radiatorer finns i tusentals storlekar och former, från små stansade metallfenor som förbinder en enda transistor till stora profiler med många fenor som kan fånga upp och överföra värme till det konvektiva luftflödet.

En av fördelarna med kylflänsen är att det inte finns några rörliga delar, inga driftskostnader och inga fellägen. När en värmesik av rätt storlek är ansluten till värmekällan, när den varma luften stiger, kommer konvektion naturligt att uppstå, som börjar och fortsätter att bilda luftflöde. Därför är dessa fördelar mycket viktiga när man använder en kylfläns för att ge ett jämnt luftflöde mellan värmekällans inlopp och utlopp. Dessutom måste inloppet vara under radiatorn och utloppet måste vara ovanför; Annars kommer den varma luften att stagnera på värmekällan, vilket kommer att förvärra situationen ytterligare.

Lägga till Heatpipes:

Värmerörets funktion är att absorbera värme från värmekällan och överföra den till det kallare området, men det i sig fungerar inte som en radiator. När det inte finns tillräckligt med utrymme nära värmekällan för att placera radiatorn eller luftflödet är otillräckligt kan värmeröret användas. Värmeröret har hög effektivitet och kan överföra värme från källan till en plats som är bekvämare för hanteringen.

Lägga till kylfläkt:

Uppenbarligen kommer fläktar att öka kostnaderna, kräva utrymme och öka systemljudet. Som en elektromekanisk anordning är fläkten också benägen att gå sönder, vilket förbrukar energi och påverkar effektiviteten i hela systemet. Men i många fall, särskilt när luftflödesvägen är krökt, vertikal eller blockerad, är de vanligtvis det enda sättet att få tillräckligt luftflöde. Många applikationer använder termiskt styrda fläktar som endast fungerar när det behövs för att minska hastigheten, och därigenom minska strömförbrukningen, och använder blad som minimerar buller vid optimal driftshastighet.

Modellering och termisk simulering:

Modellering och simulering är avgörande för en effektiv termisk hanteringsstrategi för att bestämma hur mycket kylluft som krävs och hur kylning uppnås. Luftflödet genom olika värmekällor kan dimensioneras för att hålla dess temperatur under den tillåtna gränsen. Med hjälp av lufttemperatur, tillgängligt flöde av icke forcerat luftflöde, fläktluftflöde och andra faktorer för grundläggande beräkning, kan vi ungefär förstå temperaturförhållandena.

Genom att göra några justeringar kan designers se om större luftportar kräver mer luft, avgöra om andra luftflödesvägar är mer effektiva, identifiera skillnader i användningen av större eller olika radiatorer, undersöka användningen av värmerör för att flytta hot spots, etc. Dessa CFD-modelleringsmjukvarupaket kan generera tabelldata och färgbilder av värmeavledning. Ändringar i fläktstorlek, luftflöde och position är också lätta att modellera.

Strömhantering även termisk hantering, särskilt hur kylning av strömrelaterade funktioner kommer att påverka den termiska designen och värmeackumuleringen. Dessutom, även om komponenterna och systemen fortsätter att fungera inom specifikationsintervallet, kommer temperaturökningen att orsaka prestandaförändringar med ändring av komponentparametrar. Överhettning kan också förkorta komponenternas livslängd och därmed förkorta medeltiden mellan fel, vilket också är en faktor att beakta för att säkerställa långsiktig tillförlitlighet.