La font d'alimentació genera calor durant l'operació, i l'augment continu de la temperatura provocarà canvis en el rendiment, que eventualment pot provocar una fallada del sistema; a més, la calor també escurçarà la vida útil dels components i afectarà la fiabilitat a llarg termini.
Un component generador de calor, fins i tot si l'augment de temperatura supera el seu límit permès, fa que tot el sistema s'escalfi, no vol dir necessàriament que tot el sistema estigui sobreescalfat, sinó que s'ha de dissipar l'excés de calor generat pel component.
Llavors, on va la calor?
Es dissipa a un lloc més fresc, ja sigui adjacent al sistema i la carcassa, o fora de la carcassa (només és possible si l'exterior és més fresc que l'interior).
Solucions de gestió tèrmica
La gestió tèrmica segueix els principis bàsics de la física i hi ha tres maneres de conduir la calor: radiació, conducció i convecció.
Per a la majoria de sistemes electrònics, el refredament requerit s'aconsegueix conduint la calor lluny de la font de calor i després transferint-la a un altre lloc per convecció.
El disseny tèrmic requereix una combinació de diversos maquinari de gestió tèrmica per aconseguir de manera eficient la conducció i la convecció requerides.
Hi ha tres elements de refrigeració més utilitzats: dissipadors de calor, tubs de calor i ventiladors.
Els dissipadors de calor i les canonades de calor són sistemes de refrigeració passius que no requereixen font d'alimentació, mentre que els ventiladors són un sistema de refrigeració d'aire forçat actiu.
dissipador de calor
Un dissipador de calor és una estructura d'alumini o coure que capta la calor d'una font de calor per conducció i la transfereix a un flux d'aire (en alguns casos, aigua o altres líquids) per a la convecció.
Diversos tipus de radiadors
Els dissipadors de calor tenen milers de mides i formes, des de petites aletes metàl·liques estampades que connecten transistors individuals fins a grans extrusions amb moltes aletes (dits) que intercepten el flux d'aire convectiu i transfereixen calor a aquest flux d'aire.
Els dissipadors de calor tenen l'avantatge de no tenir peces mòbils, costos d'execució, modes de fallada i molt més.
Una vegada que el dissipador de calor està connectat a la font de calor, la convecció es produeix de manera natural a mesura que l'aire calent puja, començant i continuant creant flux d'aire.
Tot i que els dissipadors de calor són fàcils d'utilitzar, hi ha alguns inconvenients:
1. Els dissipadors de calor que transmeten grans quantitats de calor són voluminosos, costosos i pesats, i s'han de col·locar correctament, cosa que afectarà o limitarà la disposició física de la placa de circuit;
2. Les aletes poden estar bloquejades per la pols del flux d'aire, reduint l'eficiència;
3. Ha d'estar connectat correctament a la font de calor perquè la calor pugui fluir sense problemes de la font de calor al radiador.
Tub de calor
És un altre component important del kit de gestió tèrmica, transferint la calor del punt A al punt B sense cap tipus de mecanisme de forçament actiu.
Conté un nucli sinteritzat i un tub metàl·lic segellat de fluid de treball que no actua com a dissipador de calor en si mateix, sinó que absorbeix la calor d'una font de calor i la transfereix a una zona més fresca.
Els tubs de calor es poden utilitzar quan no hi ha prou espai per a un dissipador de calor prop de la font de calor o quan no hi ha prou flux d'aire.
Les canonades de calor funcionen de manera eficient i transfereixen la calor de la font a un lloc més manejable.
principi de funcionament:
La font de calor converteix el fluid de treball en vapor dins del tub segellat, i el vapor transporta la calor a l'extrem més fresc del tub de calor. En aquest extrem, el vapor es condensa en un líquid i allibera calor, i el fluid torna a l'extrem més calent.
Aquest procés de transició d'estat gas-líquid s'executa contínuament i només és impulsat per la diferència de temperatura entre els extrems fred i calent.
Connectar un dissipador de calor o un altre dispositiu de refrigeració a l'extrem fred pot resoldre el problema de la dissipació de calor dels punts calents localitzats on el flux d'aire està bloquejat.
ventilador
És el primer pas cap a un dispositiu de refrigeració actiu refrigerat per aire forçat, eliminant radiadors passius i tubs de calor, però els ventiladors també tenen els seus propis maldecaps:
1. Augmenta el cost, requereix espai i augmenta el soroll del sistema;
2. És propens a fallar, consumeix energia i afecta l'eficiència de tot el sistema.
Però en molts casos, especialment quan el camí del flux d'aire és corbat, vertical o obstruït, sovint són l'única manera d'aconseguir un flux d'aire adequat.
El paràmetre clau que defineix la capacitat d'un ventilador és la longitud de la unitat o el flux de volum unitari d'aire per minut.
Tanmateix, la mida física és un problema: un ventilador gran a baixa velocitat pot produir el mateix flux d'aire que un ventilador petit a gran velocitat, de manera que hi ha una compensació entre la mida i la velocitat.
Modelatge i simulació integral
Els sistemes passius autònoms tenen una mida més gran, però són més fiables i eficients, mentre que els ventiladors poden funcionar en situacions en què no es pot utilitzar la refrigeració passiva sola.
Quin sistema triar per a la refrigeració sovint pot ser una decisió difícil.
Aquí és on es necessiten modelatge i simulació per determinar quant de refrigeració es necessita i com aconseguir-ho, la qual cosa és fonamental per a una estratègia de gestió tèrmica eficient.
Per als models en miniatura, les fonts de calor i els seus camins per al flux de calor es caracteritzen per la seva resistència tèrmica, que està determinada pel material, massa i mida utilitzats.
La modelització que mostra com flueix la calor des de la font de calor també és el primer pas per avaluar els components que causen fallades tèrmiques a causa de la seva pròpia dissipació de calor.
Els proveïdors de dispositius com els circuits integrats d'alta dissipació de calor, els MOSFET i els IGBT sovint proporcionen models tèrmics que proporcionen detalls del camí tèrmic des de la font de calor fins a la superfície del dispositiu.
Un cop conegudes les càrregues tèrmiques dels diferents components, el següent pas és modelar a nivell macro, que és tan senzill com complex:
El flux d'aire de diverses fonts de calor està dimensionat per mantenir la seva temperatura per sota dels límits permesos; Els càlculs bàsics es realitzen utilitzant la temperatura de l'aire, el flux d'aire no forçat disponible, el flux d'aire del ventilador i altres factors per tenir una idea aproximada de les condicions de temperatura.
A continuació, ve un modelatge més complex de tot el producte i el seu embalatge utilitzant el model i la ubicació de cada font de calor, la placa de PC, la superfície de la caixa i altres factors.
Finalment, el modelatge ha de resoldre dos problemes:
1. El problema de la dissipació màxima i mitjana. Per exemple, un component en estat estacionari que dissipa 1 W de calor contínuament té un impacte tèrmic diferent que un dispositiu que dissipa 10 W de calor però té un cicle de treball intermitent del 10 per cent.
Això vol dir que la dissipació de calor mitjana és la mateixa, i la massa tèrmica i el flux de calor associats produiran diferents distribucions de calor. La majoria de les aplicacions CFD es poden analitzar amb una combinació d'estàtica i dinàmica.
2. Imperfeccions en les connexions físiques entre components i superfícies del micromodel, com ara la connexió física entre la part superior del paquet IC i el dissipador de calor.
Si la connexió té un pas petit, la resistència tèrmica d'aquest camí augmentarà i és necessari omplir el coixinet tèrmic a la superfície de contacte per millorar la conductivitat tèrmica del camí.
La gestió tèrmica pot reduir la temperatura dels components de la font d'alimentació i de l'entorn intern, cosa que pot allargar la vida útil del producte i millorar la fiabilitat.
