Toiteallika peamised soojusjuhtimise lahendused

Soojusjuhtimine järgib füüsika põhiprintsiipe. Soojusjuhtimiseks on kolm viisi: kiirgus, juhtivus ja konvektsioon.

Enamiku elektroonikasüsteemide puhul on vajaliku jahutuse saavutamiseks lasta soojusel esmalt soojusallikast juhtivuse teel lahkuda ja seejärel konvektsiooni teel mujale viia.

Soojusprojekteerimisel on vaja kombineerida erinevaid soojusjuhtimise riistvarasid, et saavutada tõhusalt vajalik juhtivus ja konvektsioon.

Seal on kolm kõige sagedamini kasutatavat jahutuskomponenti: jahutusradiaatorid, soojustorud ja ventilaatorid.

Jahutusradiaator ja soojustoru on passiivsed jahutussüsteemid ilma toiteallikata, ventilaator aga aktiivne sundõhkjahutussüsteem.

Radiaator on alumiinium- või vaskkonstruktsioon, mis saab soojusallikast soojust juhtivuse kaudu ja edastab soojuse õhuvoolu (mõnel juhul vette või muudesse vedelikesse), et saavutada konvektsioon.

Jahutusradiaatoreid on tuhandetes suurustes ja kujundites, alates väikestest stantsitud metallist ribidest, mis ühendavad ühte transistori, kuni suurte ekstrusioonideni, millel on palju ribi (sõrmi), mis suudavad konvektiivse õhuvoolu katkestada ja sellele soojust üle kanda.

Radiaatori eelisteks on liikuvate osade puudumine, kasutuskulud, rikkerežiimid jne.

Kui radiaator on soojusallikaga ühendatud, tekib sooja õhu tõustes loomulikult konvektsioon, mis algab ja jätkub õhuvoolu moodustamisel.

Kuigi radiaatorit on lihtne kasutada, on sellel mõned puudused:

• Suurt soojust edastav radiaator on suur, kulukas ja raske ning see tuleb õigesti paigutada, mis mõjutab või piirab trükkplaadi füüsilist paigutust;

• 
  

• Õhuvoolu tolm võib uimed blokeerida, mis vähendab tõhusust;

• 
  

• See peab olema korralikult ühendatud soojusallikaga, et soojus saaks sujuvalt soojusallikast radiaatorisse voolata.

Soojustoru

See on veel üks oluline soojusjuhtimiskomplekti komponent, mis suudab soojust punktist A punkti B üle kanda ilma igasuguse aktiivse sundmehhanismita.

See sisaldab paagutatud südamikku ja suletud metalltoru töövedelikku. See ei toimi iseenesest radiaatorina. Selle ülesanne on absorbeerida soojust soojusallikast ja viia see külmemasse piirkonda.

Soojustorusid saab kasutada siis, kui soojusallika läheduses ei ole piisavalt ruumi radiaatori paigutamiseks või õhuvool on ebapiisav. Soojustoru on kõrge tööefektiivsusega ja suudab soojust allikast edasi kanda mugavamasse kohta.

Selle tööpõhimõte on lihtne ja geniaalne:

Soojusallikas muudab töövedeliku suletud torus auruks ja aur kannab soojuse üle soojustoru külmemasse otsa. Sel lõpus kondenseerub aur vedelikuks ja eraldab soojust, samal ajal kui vedelik naaseb kuumemasse otsa.

See gaasi-vedeliku muundamisprotsess toimub pidevalt ja seda juhib ainult külma ja kuuma otsa temperatuuride erinevus. Radiaatori või muu jahutusseadme ühendamine külma otsaga võib lahendada soojuse hajumise probleemi kohalikes kuumades kohtades, kus õhuvool on blokeeritud.

Fänn

See on esimene samm sundõhkjahutusega aktiivse jahutusradiaatori suunas, peale passiivsete radiaatorite ja soojustorude, kuid ventilaatoritel on ka puudusi:

kõrge hind, vajab ruumi, suurendab süsteemi müra;

Aldis riketele, kulutab energiat ja mõjutab kogu süsteemi efektiivsust

Kuid paljudel juhtudel, eriti kui õhuvoolutee on kõver, vertikaalne või mitte sile, on need tavaliselt ainus viis piisava õhuvoolu saavutamiseks.

Peamine parameeter, mis määrab ventilaatori võimsuse, on õhu ühikupikkus või ruumala voolukiirus minutis.

Füüsiline suurus on aga probleem: suur väikese pöörlemiskiirusega ventilaator suudab toota sama õhuvoolu kui väike suure pöörlemiskiirusega ventilaator, seega on suuruse ja kiiruse vahel kompromiss.

Modelleerimine ja kõikehõlmav simulatsioon

Eraldi passiivsed süsteemid on mõõtmetelt suuremad, kuid töökindlamad ja tõhusamad ning ventilaatorid võivad mängida rolli olukordades, kus passiivset jahutust üksi kasutada ei saa.

Millist süsteemi jahutuseks valida, on sageli raske otsus.

Praegu on vaja kindlaks määrata, kui palju jahutusõhku on vaja ja kuidas jahutust saavutada modelleerimise ja simulatsiooni abil, mis on tõhusate soojusjuhtimise strateegiate jaoks hädavajalik.

Miniatuurse mudeli puhul iseloomustab soojusallikat ja selle soojusvooluteed nende soojustakistus ning soojustakistuse määrab kasutatud materjal, kvaliteet ja suurus.

Modelleerimine näitab, kuidas soojus soojusallikast voolab, ning on ühtlasi esimene samm nende komponentide hindamisel, mis põhjustavad termilisi õnnetusi oma soojuse hajumise tõttu.

Näiteks pakuvad seadmete tarnijad, nagu suure soojuseraldusega IC-d, MOSFET-id ja IGBT-d, tavaliselt termomudeleid, mis annavad üksikasju soojusallikast seadme pinnale kulgeva soojustee kohta.

Kui iga komponendi soojuskoormus on teada, on järgmine samm makrotasandil modelleerimine, mis on nii lihtne kui ka keeruline:

Reguleerige erinevate soojusallikate kaudu õhuvoolu suurust, et hoida selle temperatuur alla lubatud piiri; Kasutage õhutemperatuuri, sundimatu õhuvoolu olemasolevat voolu, ventilaatori õhuvoolu ja muid tegureid, et teha põhiarvutused, et temperatuuriolukorda ligikaudselt mõista.

Järgmise sammuna tuleb kasutada iga soojusallika mudelit ja asukohta, PC-plaati, kestapinda ja muid tegureid, et teostada kogu toote ja selle pakendi keerukam modelleerimine.

Lõpuks peab modelleerimine lahendama kaks probleemi:

Tipp- ja keskmise hajumise probleem. Näiteks püsiva oleku komponendil pideva soojuse hajumisega 1 W ja seadmel, mille soojuseraldus on 10 W, kuid 10% vahelduva töötsükliga on erinevad soojusefektid.

See tähendab, et keskmine soojuse hajumine on sama ning sellega seotud soojusmass ja soojusvoog tekitavad erineva soojusjaotuse. Enamik CFD rakendusi suudab kombineerida staatilise ja dünaamilise analüüsi.

Komponendi pinna ja minimudeli vahelise füüsilise ühenduse ebatäiuslikkus, näiteks füüsiline ühendus IC-paketi ülaosa ja jahutusradiaatori vahel.

Kui ühendus on väikese vahemaaga, suureneb selle tee soojustakistus ja raja soojusjuhtivuse suurendamiseks on vaja kontaktpinda täita termopadjaga.

Soojusjuhtimine võib alandada toiteallika komponentide ja sisekeskkonna temperatuuri, mis võib pikendada toote eluiga ja parandada töökindlust.

Kuid soojusjuhtimine on integreeritud kontseptsioon, kui see on detailideni jaotatud, on see tohutu teema.

See hõlmab suuruse, võimsuse, tõhususe, kaalu, töökindluse ja kulude kompromisse. Tuleb hinnata projekti prioriteetsust ja piiranguid.