Toiteallikas tekitab töö ajal soojust ja pidev temperatuuri tõus põhjustab muutusi jõudluses, mis võib lõpuks viia süsteemi rikkeni; lisaks lühendab kuumus ka komponentide eluiga ja mõjutab pikaajalist töökindlust.
Soojust tekitav komponent, isegi kui temperatuuri tõus ületab lubatud piiri, põhjustab kogu süsteemi kuumenemise, see ei pruugi tähendada kogu süsteemi ülekuumenemist, vaid komponendi poolt tekitatud liigne soojus tuleb hajutada.
Kuhu siis kuumus kaob?
Hajutada jahedamasse kohta, kas süsteemi ja korpuse kõrvale või korpusest väljapoole (võimalik ainult siis, kui väliskülg on seest jahedam).
Soojusjuhtimise lahendused
Soojusjuhtimine järgib füüsika põhiprintsiipe ning soojusjuhtimiseks on kolm võimalust: kiirgus, juhtivus ja konvektsioon.
Enamiku elektroonikasüsteemide puhul saavutatakse vajalik jahutus soojuse allikast eemale juhtides ja seejärel konvektsiooni teel mujale ülekandmisega.
Soojusprojekteerimine nõuab erinevate soojusjuhtimise riistvarade kombinatsiooni, et tõhusalt saavutada nõutav juhtivus ja konvektsioon.
Seal on kolm kõige sagedamini kasutatavat jahutuselementi: jahutusradiaatorid, soojustorud ja ventilaatorid.
Jahutusradiaatorid ja soojustorud on passiivsed jahutussüsteemid, mis ei vaja toiteallikat, samas kui ventilaatorid on aktiivne sundõhkjahutussüsteem.
radikas
Jahutusradiaator on alumiiniumist või vasest konstruktsioon, mis kogub soojusallikast soojust juhtivuse teel ja kannab soojuse konvektsiooniks õhuvoolu (mõnel juhul vette või muudesse vedelikesse).
Erinevat tüüpi radiaatorid
Jahutusradiaatoreid on tuhandetes suurustes ja kujundites, alates väikestest stantsitud metallist ribidest, mis ühendavad üksikuid transistore, kuni suurte ekstrusioonideni, millel on palju uime (sõrmi), mis katkestavad konvektiivse õhuvoolu ja kannavad soojust sellele õhuvoolule.
Jahutusradiaatorite eeliseks on liikuvate osade puudumine, jooksvad kulud, rikkerežiimid ja palju muud.
Kui jahutusradiaator on soojusallikaga ühendatud, toimub konvektsioon loomulikult, kui soe õhk tõuseb ülespoole, alustades ja jätkates õhuvoolu tekitamist.
Kuigi jahutusradiaatoreid on lihtne kasutada, on sellel mõned puudused:
1. Suures koguses soojust edastavad jahutusradiaatorid on mahukad, kulukad ja rasked ning need tuleb õigesti paigutada, mis mõjutab või piirab trükkplaadi füüsilist paigutust;
2. Õhuvoolu tolm võib uimed blokeerida, mis vähendab tõhusust;
3. See peab olema korralikult ühendatud soojusallikaga, et soojus saaks sujuvalt soojusallikast radiaatorisse voolata.
Soojustoru
See on soojusjuhtimiskomplekti veel üks oluline komponent, mis kannab soojust punktist A punkti B ilma igasuguse aktiivse sundmehhanismita.
See sisaldab paagutatud südamikku ja suletud metalltoru töövedelikku, mis ei toimi ise jahutusradiaatorina, vaid pigem neelab soojuse soojusallikast ja edastab selle jahedamasse piirkonda.
Soojustorusid saab kasutada siis, kui soojusallika läheduses ei ole jahutusradiaatori jaoks piisavalt ruumi või kui õhuvool on ebapiisav.
Soojustorud töötavad tõhusalt ja edastavad soojuse allikast paremini juhitavasse kohta.
tööpõhimõte:
Soojusallikas muudab töövedeliku suletud torus auruks ja aur kannab soojust soojustoru jahedamasse otsa. Sel lõpus kondenseerub aur vedelikuks ja eraldab soojust ning vedelik naaseb kuumemasse otsa.
See gaasi-vedeliku oleku üleminekuprotsess toimub pidevalt ja seda juhib ainult külma ja kuuma otsa temperatuuride erinevus.
Jahutusradiaatori või muu jahutusseadme ühendamine külma otsaga võib lahendada soojuse hajumise probleemi lokaalsetest kuumadest kohtadest, kus õhuvool on blokeeritud.
fänn
See on esimene samm sundõhkjahutusega aktiivjahutusseadme poole, mis loobub passiivsetest radiaatoritest ja soojustorudest, kuid ka ventilaatoritel on oma peavalud:
1. Suurendage kulusid, nõudke ruumi ja suurendage süsteemi müra;
2. See on altid riketele, kulutab energiat ja mõjutab kogu süsteemi efektiivsust.
Kuid paljudel juhtudel, eriti kui õhuvoolutee on kõver, vertikaalne või takistatud, on need sageli ainus viis piisava õhuvoolu saamiseks.
Peamine parameeter, mis määrab ventilaatori võimsuse, on ühiku pikkus või ühikuline õhuvooluhulk minutis.
Füüsiline suurus on siiski probleem: suur ventilaator madalal kiirusel võib toota sama õhuvoolu kui väike ventilaator suurel kiirusel, seega on suuruse ja kiiruse kompromiss.
Modelleerimine ja kõikehõlmav simulatsioon
Eraldiseisvad passiivsüsteemid on suurema suurusega, kuid töökindlamad ja tõhusamad, samas kui ventilaatorid võivad töötada olukordades, kus passiivset jahutust ei saa kasutada.
Milline süsteem jahutuseks valida, võib sageli olla keeruline otsus.
Siin on vaja modelleerimist ja simulatsiooni, et teha kindlaks, kui palju jahutust on vaja ja kuidas seda saavutada, mis on tõhusa soojusjuhtimise strateegia jaoks ülioluline.
Miniatuursete mudelite puhul iseloomustab soojusallikaid ja nende soojusvoo liikumisteid nende soojustakistus, mis määratakse kasutatava materjali, massi ja suuruse järgi.
Modelleerimine, mis näitab, kuidas soojusallikast soojus voolab, on ka esimene samm nende komponentide hindamisel, mis põhjustavad termilise rikke nende enda soojuse hajumise tõttu.
Seadmete tarnijad, nagu suure soojuseraldusega IC-d, MOSFET-id ja IGBT-d, pakuvad sageli soojusmudeleid, mis annavad üksikasju soojusallikast seadme pinnale kulgeva soojustee kohta.
Kui erinevate komponentide soojuskoormused on teada, on järgmine samm makrotasandil modelleerimine, mis on nii lihtne kui ka keeruline:
Erinevatest soojusallikatest lähtuv õhuvool on sellise suurusega, et hoida selle temperatuur alla lubatud piiri; Põhiarvutused tehakse õhutemperatuuri, saadaoleva sundimatu õhuvoolu, ventilaatori õhuvoolu ja muude tegurite abil, et saada ligikaudne ettekujutus temperatuuritingimustest.
Edasi tuleb kogu toote ja selle pakendi keerukam modelleerimine, kasutades iga soojusallika mudelit ja asukohta, PC-plaati, korpuse pinda ja muid tegureid.
Lõpuks peab modelleerimine lahendama kaks probleemi:
1. Tipp- ja keskmise hajumise probleem. Näiteks püsiva oleku komponendil, mis hajutab pidevalt 1 W soojust, on erinev termiline mõju kui seadmel, mis hajutab 10 W soojust, kuid mille töötsükkel on 10 protsenti.
See tähendab, et keskmine soojuse hajumine on sama ning sellega seotud soojusmass ja soojusvoog tekitavad erineva soojusjaotuse. Enamikku CFD rakendusi saab analüüsida staatilise ja dünaamilise kombinatsiooniga.
2. Komponentide ja mikromudeli pindade vaheliste füüsiliste ühenduste defektid, näiteks füüsiline ühendus IC-paketi ülaosa ja jahutusradiaatori vahel.
Kui ühendus on väikese sammuga, suureneb selle tee soojustakistus ja raja soojusjuhtivuse suurendamiseks on vaja täita kontaktpinnal olev termopadi.
Soojusjuhtimine võib vähendada toiteallika ja sisekeskkonna komponentide temperatuuri, mis võib pikendada toote kasutusiga ja parandada töökindlust.
