Napajalnik med delovanjem proizvaja toploto, nenehno naraščanje temperature pa bo povzročilo spremembe v delovanju, kar lahko sčasoma povzroči okvaro sistema; poleg tega bo toplota tudi skrajšala življenjsko dobo komponent in vplivala na dolgoročno zanesljivost.
Komponenta, ki proizvaja toploto, tudi če dvig temperature preseže dovoljeno mejo, povzroči segrevanje celotnega sistema, ne pomeni nujno, da je celoten sistem pregret, ampak mora biti odvečna toplota, ki jo komponenta ustvari, odvedena.
Kam gre torej toplota?
Razpršite na hladnejše mesto, bodisi v bližini sistema in ohišja ali zunaj ohišja (možno samo, če je zunanjost hladnejša od notranjosti).
Rešitve za upravljanje toplote
Upravljanje s toploto sledi osnovnim fizikalnim principom in obstajajo trije načini prevajanja toplote: sevanje, prevodnost in konvekcija.
Pri večini elektronskih sistemov se zahtevano hlajenje doseže z odvajanjem toplote stran od vira toplote in nato s konvekcijo s prenosom drugam.
Toplotna zasnova zahteva kombinacijo različne strojne opreme za upravljanje toplote za učinkovito doseganje zahtevane prevodnosti in konvekcije.
Obstajajo trije najpogosteje uporabljeni hladilni elementi: hladilniki, toplotne cevi in ventilatorji.
Hladilniki in toplotne cevi so pasivni hladilni sistemi, ki ne potrebujejo napajanja, medtem ko so ventilatorji aktivni prisilni sistem hlajenja.
toplotno telo
Hladilno telo je aluminijasta ali bakrena struktura, ki zajema toploto iz toplotnega vira s prevajanjem in prenaša toploto v zračni tok (v nekaterih primerih vodo ali druge tekočine) za konvekcijo.
Različne vrste radiatorjev
Hladilniki so na voljo v tisočih velikostih in oblikah, od majhnih vtisnjenih kovinskih reber, ki povezujejo posamezne tranzistorje, do velikih iztiskov s številnimi rebri (prsti), ki prestrežejo konvektivni zračni tok in prenašajo toploto na ta zračni tok.
Hladilniki imajo prednost, da nimajo gibljivih delov, tekočih stroškov, načinov okvar in več.
Ko je hladilno telo priključeno na vir toplote, pride do konvekcije naravno, ko se topel zrak dvigne, začne in nadaljuje z ustvarjanjem zračnega toka.
Čeprav so hladilniki enostavni za uporabo, obstajajo nekatere pomanjkljivosti:
1. Toplotni odvodi, ki prenašajo velike količine toplote, so zajetni, dragi in težki in jih je treba namestiti pravilno, kar bo vplivalo ali omejilo fizično postavitev vezja;
2. Plavuti so lahko blokirane zaradi prahu v zračnem toku, kar zmanjša učinkovitost;
3. Mora biti pravilno priključen na vir toplote, da lahko toplota nemoteno teče od vira toplote do radiatorja.
Toplotna cev
Je še ena pomembna komponenta kompleta za upravljanje toplote, ki prenaša toploto od točke A do točke B brez kakršnega koli aktivnega prisilnega mehanizma.
Vsebuje sintrano jedro in zaprto kovinsko cev delovne tekočine, ki sama ne deluje kot odvod toplote, temveč absorbira toploto iz vira toplote in jo prenaša v hladnejše območje.
Toplotne cevi se lahko uporabljajo, kadar v bližini vira toplote ni dovolj prostora za hladilno telo ali ko ni zadostnega pretoka zraka.
Toplotne cevi delujejo učinkovito in prenašajo toploto iz vira na bolj obvladljivo lokacijo.
princip delovanja:
Vir toplote pretvori delovno tekočino v paro znotraj zaprte cevi, para pa prenaša toploto na hladnejši konec toplotne cevi. Na tem koncu se para kondenzira v tekočino in sprosti toploto, tekočina pa se vrne na bolj vroč konec.
Ta proces prehoda iz stanja plina v tekočino poteka neprekinjeno in ga poganja samo temperaturna razlika med hladnim in vročim koncem.
Priključitev hladilnega telesa ali druge hladilne naprave na hladnem koncu lahko reši problem odvajanja toplote iz lokalnih vročih točk, kjer je pretok zraka blokiran.
ventilator
To je prvi korak k aktivni hladilni napravi s prisilnim zračnim hlajenjem, ki opušča pasivne radiatorje in toplotne cevi, a oboževalci imajo tudi svoje glavobole:
1. Poveča stroške, zahteva prostor in poveča hrup sistema;
2. Nagnjen je k okvaram, porablja energijo in vpliva na učinkovitost celotnega sistema.
Toda v mnogih primerih, zlasti ko je pot zračnega toka ukrivljena, navpična ali ovirana, so pogosto edini način za zagotovitev ustreznega zračnega toka.
Ključni parameter, ki določa zmogljivost ventilatorja, je enota dolžine ali enota volumskega pretoka zraka na minuto.
Vendar je fizična velikost težava: velik ventilator pri nizki hitrosti lahko ustvari enak pretok zraka kot majhen ventilator pri visoki hitrosti, zato obstaja kompromis med velikostjo in hitrostjo.
Modeliranje in celovita simulacija
Samostojni pasivni sistemi so večji, vendar bolj zanesljivi in učinkoviti, medtem ko lahko ventilatorji delujejo v situacijah, ko samo pasivnega hlajenja ni mogoče uporabiti.
Odločitev, kateri sistem za hlajenje izbrati, je pogosto lahko težka.
Tukaj sta potrebna modeliranje in simulacija, da ugotovimo, koliko hlajenja je potrebno in kako ga doseči, kar je ključnega pomena za učinkovito strategijo upravljanja toplote.
Za miniaturne modele so toplotni viri in njihove poti toplotnega toka značilni po toplotni upornosti, ki je določena z uporabljenim materialom, maso in velikostjo.
Modeliranje, ki prikazuje, kako toplota teče iz vira toplote, je tudi prvi korak pri ocenjevanju komponent, ki povzročajo toplotno okvaro zaradi lastnega odvajanja toplote.
Dobavitelji naprav, kot so IC-ji z visokim odvajanjem toplote, MOSFET-ji in IGBT-ji, pogosto zagotavljajo toplotne modele, ki zagotavljajo podrobnosti toplotne poti od vira toplote do površine naprave.
Ko so znane toplotne obremenitve različnih komponent, je naslednji korak modeliranje na makroravni, ki je tako preprosto kot zapleteno:
Pretok zraka iz različnih virov toplote je dimenzioniran tako, da ohranja svojo temperaturo pod dovoljenimi mejami; osnovni izračuni se izvajajo z uporabo temperature zraka, razpoložljivega neprisiljenega pretoka zraka, pretoka zraka ventilatorja in drugih dejavnikov, da dobimo grobo predstavo o temperaturnih pogojih.
Sledi kompleksnejše modeliranje celotnega izdelka in njegove embalaže z uporabo modela in lokacije vsakega vira toplote, PC plošče, površine ohišja in drugih dejavnikov.
Končno mora modeliranje rešiti dva problema:
1. Problem temenske in povprečne disipacije. Na primer, komponenta v stabilnem stanju, ki neprekinjeno oddaja 1 W toplote, ima drugačen toplotni vpliv kot naprava, ki odvaja 10 W toplote, vendar ima 10-odstotni prekinitveni delovni cikel.
To pomeni, da je povprečno odvajanje toplote enako, povezana toplotna masa in toplotni tok pa bosta povzročila različne porazdelitve toplote. Večino CFD aplikacij je mogoče analizirati s kombinacijo statike in dinamike.
2. Nepopolnosti v fizičnih povezavah med komponentami in površinami mikromodelov, kot je fizična povezava med vrhom ohišja IC in hladilnim odvodom.
Če ima povezava majhen korak, se bo toplotni upor te poti povečal, zato je potrebno napolniti toplotno blazinico na kontaktni površini, 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.
