Strāvas padeve darbības laikā rada siltumu, un nepārtraukta temperatūras paaugstināšanās izraisīs veiktspējas izmaiņas, kas galu galā var izraisīt sistēmas atteici; turklāt karstums arī saīsinās komponentu kalpošanas laiku un ietekmēs ilgtermiņa uzticamību.
Siltumu ģenerējoša sastāvdaļa, pat ja temperatūras paaugstināšanās pārsniedz pieļaujamo robežu, izraisa visas sistēmas uzsilšanu, tas nebūt nenozīmē, ka visa sistēma ir pārkarsusi, bet komponenta radītais liekais siltums ir jāizkliedē.
Tātad, kur paliek siltums?
Izkliedējiet uz vēsāku vietu, vai nu blakus sistēmai un korpusam, vai ārpus korpusa (iespējams tikai tad, ja ārpuse ir vēsāka nekā iekšpusē).
Siltuma pārvaldības risinājumi
Siltuma pārvaldībā tiek ievēroti fizikas pamatprincipi, un ir trīs siltuma vadīšanas veidi: starojums, vadīšana un konvekcija.
Lielākajai daļai elektronisko sistēmu nepieciešamā dzesēšana tiek panākta, novadot siltumu prom no siltuma avota un pēc tam novadot to citur ar konvekcijas palīdzību.
Siltuma projektēšanai ir nepieciešama dažādu siltuma pārvaldības aparatūras kombinācija, lai efektīvi sasniegtu nepieciešamo vadītspēju un konvekciju.
Ir trīs visbiežāk izmantotie dzesēšanas elementi: siltuma izlietnes, siltuma caurules un ventilatori.
Siltuma izlietnes un siltuma caurules ir pasīvās dzesēšanas sistēmas, kurām nav nepieciešama strāvas padeve, savukārt ventilatori ir aktīva piespiedu gaisa dzesēšanas sistēma.
siltuma izlietne
Siltuma izlietne ir alumīnija vai vara konstrukcija, kas uztver siltumu no siltuma avota vadīšanas ceļā un pārnes siltumu gaisa plūsmā (dažos gadījumos ūdenī vai citos šķidrumos) konvekcijai.
Dažādu veidu radiatori
Siltuma izlietnes ir tūkstošiem izmēru un formu, sākot no mazām apzīmogotām metāla spurām, kas savieno atsevišķus tranzistorus, līdz lielām ekstrūzijas ar daudzām spurām (pirkstiem), kas pārtver konvektīvo gaisa plūsmu un pārnes siltumu šai gaisa plūsmai.
Dziedinātāju priekšrocība ir tā, ka tām nav kustīgu daļu, ekspluatācijas izmaksas, atteices režīmi un daudz kas cits.
Kad siltuma izlietne ir pievienota siltuma avotam, konvekcija notiek dabiski, siltam gaisam paceļoties, sākot un turpinot radīt gaisa plūsmu.
Lai gan siltuma izlietnes ir viegli lietojamas, ir daži trūkumi:
1. Siltuma izlietnes, kas pārraida lielu siltuma daudzumu, ir apjomīgas, dārgas un smagas, un tās ir jānovieto pareizi, kas ietekmēs vai ierobežos shēmas plates fizisko izkārtojumu;
2. Spuras var bloķēt putekļi gaisa plūsmā, samazinot efektivitāti;
3. Tam jābūt pareizi pievienotam siltuma avotam, lai siltums varētu vienmērīgi plūst no siltuma avota uz radiatoru.
Siltuma caurule
Tā ir vēl viena svarīga siltuma vadības komplekta sastāvdaļa, kas pārnes siltumu no punkta A uz punktu B bez aktīva piespiedu mehānisma.
Tajā ir saķepināts kodols un noslēgta metāla caurule ar darba šķidrumu, kas pati nedarbojas kā siltuma izlietne, bet gan absorbē siltumu no siltuma avota un pārnes to uz vēsāku zonu.
Siltuma caurules var izmantot, ja siltuma avota tuvumā nav pietiekami daudz vietas siltuma izlietnei vai ja nav pietiekama gaisa plūsma.
Siltuma caurules darbojas efektīvi un pārnes siltumu no avota uz vieglāk pārvaldāmu vietu.
darba princips:
Siltuma avots pārvērš darba šķidrumu tvaikā noslēgtajā caurulē, un tvaiks pārnes siltumu uz siltuma caurules vēsāko galu. Šajā galā tvaiki kondensējas šķidrumā un atbrīvo siltumu, un šķidrums atgriežas karstākajā galā.
Šis gāzes un šķidruma stāvokļa pārejas process notiek nepārtraukti, un to nosaka tikai temperatūras starpība starp aukstajiem un karstajiem galiem.
Siltuma izlietnes vai citas dzesēšanas ierīces pievienošana aukstajam galam var atrisināt siltuma izkliedes problēmu no lokalizētiem karstajiem punktiem, kur gaisa plūsma ir bloķēta.
ventilators
Tas ir pirmais solis ceļā uz piespiedu gaisa dzesēšanas aktīvās dzesēšanas ierīci, kas novērš pasīvos radiatorus un siltuma caurules, taču ventilatoriem ir arī savas galvassāpes:
1. Palieliniet izmaksas, aizņemiet vietu un palieliniet sistēmas troksni;
2. Tā ir pakļauta neveiksmēm, patērē enerģiju un ietekmē visas sistēmas efektivitāti.
Taču daudzos gadījumos, īpaši, ja gaisa plūsmas ceļš ir izliekts, vertikāls vai aizsprostots, tie bieži vien ir vienīgais veids, kā iegūt atbilstošu gaisa plūsmu.
Galvenais parametrs, kas nosaka ventilatora jaudu, ir vienības garums vai vienības tilpuma gaisa plūsma minūtē.
Tomēr fiziskais izmērs ir problēma: liels ventilators ar mazu ātrumu var radīt tādu pašu gaisa plūsmu kā mazs ventilators lielā ātrumā, tāpēc pastāv lieluma un ātruma kompromiss.
Modelēšana un visaptveroša simulācija
Atsevišķas pasīvās sistēmas ir lielāka izmēra, taču tās ir uzticamākas un efektīvākas, savukārt ventilatori var darboties situācijās, kad nevar izmantot tikai pasīvo dzesēšanu.
Kuru sistēmu izvēlēties dzesēšanai, bieži vien var būt grūts lēmums.
Šeit ir nepieciešama modelēšana un simulācija, lai noteiktu, cik daudz dzesēšanas ir nepieciešams un kā to panākt, kas ir ļoti svarīgi efektīvai siltuma pārvaldības stratēģijai.
Miniatūriem modeļiem siltuma avotus un to siltuma plūsmas ceļus raksturo to termiskā pretestība, ko nosaka izmantotais materiāls, masa un izmērs.
Modelēšana, kas parāda, kā siltums plūst no siltuma avota, ir arī pirmais solis, lai novērtētu komponentus, kas izraisa termisku atteici to pašu siltuma izkliedes dēļ.
Ierīču piegādātāji, piemēram, augstas siltuma izkliedes IC, MOSFET un IGBT, bieži nodrošina termiskos modeļus, kas sniedz detalizētu informāciju par siltuma ceļu no siltuma avota līdz ierīces virsmai.
Kad ir zināmas dažādu komponentu termiskās slodzes, nākamais solis ir modelēšana makro līmenī, kas ir tikpat vienkārša, cik sarežģīta:
Gaisa plūsma no dažādiem siltuma avotiem ir tāda izmēra, lai tās temperatūra būtu zem pieļaujamām robežām; pamata aprēķini tiek veikti, izmantojot gaisa temperatūru, pieejamo nepiespiesto gaisa plūsmu, ventilatora gaisa plūsmu un citus faktorus, lai iegūtu aptuvenu priekšstatu par temperatūras apstākļiem.
Tālāk seko sarežģītāka visa produkta un tā iepakojuma modelēšana, izmantojot katra siltuma avota modeli un atrašanās vietu, datora plati, korpusa virsmu un citus faktorus.
Visbeidzot, modelēšanai ir jāatrisina divas problēmas:
1. Pīķa un vidējās izkliedes problēma. Piemēram, līdzsvara stāvokļa komponentam, kas nepārtraukti izkliedē 1 W siltuma, ir atšķirīga termiskā ietekme nekā ierīcei, kas izkliedē 10 W siltuma, bet tai ir 10 procentu periodisks darba cikls.
Tas nozīmē, ka vidējā siltuma izkliede ir vienāda, un ar to saistītā termiskā masa un siltuma plūsma radīs atšķirīgu siltuma sadalījumu. Lielāko daļu CFD lietojumprogrammu var analizēt, kombinējot statisko un dinamisko.
2. Fizisko savienojumu nepilnības starp komponentiem un mikromodeļa virsmām, piemēram, fiziskais savienojums starp IC paketes augšdaļu un siltuma izlietni.
Ja savienojumam ir mazs solis, šī ceļa siltuma pretestība palielināsies, un ir nepieciešams aizpildīt kontaktvirsmas termisko spilventiņu, lai uzlabotu ceļa siltumvadītspēju.
Termiskā vadība var samazināt barošanas avota un iekšējās vides komponentu temperatūru, kas var pagarināt izstrādājuma kalpošanas laiku un uzlabot uzticamību.
