A tápegység működés közben hőt termel, és a folyamatos hőmérséklet-emelkedés teljesítménybeli változást okoz, ami végül rendszerhibához vezethet; emellett a hő lerövidíti az alkatrészek élettartamát és befolyásolja a hosszú távú megbízhatóságot.
Egy hőtermelő alkatrész, még ha a hőmérséklet emelkedése meghaladja a megengedett határt, az egész rendszer felmelegedését okozza, ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy az egész rendszer túlmelegszik, de az alkatrész által termelt többlet hőt el kell vezetni.
Szóval hova megy a meleg?
Távolítsa el egy hűvösebb helyre, akár a rendszer és a ház mellett, akár a házon kívül (csak akkor lehetséges, ha a külső hűvösebb, mint a belső).
Hőgazdálkodási megoldások
A hőkezelés a fizika alapelveit követi, és a hővezetésnek három módja van: sugárzás, vezetés és konvekció.
A legtöbb elektronikus rendszernél a szükséges hűtést úgy érik el, hogy a hőt elvezetik a hőforrástól, majd konvekcióval máshová továbbítják.
A hőkezeléshez különféle hőkezelési hardverek kombinációja szükséges a szükséges vezetés és konvekció hatékony eléréséhez.
Három leggyakrabban használt hűtőelem létezik: hűtőbordák, hőcsövek és ventilátorok.
A hűtőbordák és a hőcsövek passzív hűtőrendszerek, amelyek nem igényelnek tápellátást, míg a ventilátorok egy aktív kényszerlevegős hűtőrendszer.
hűtőborda
A hűtőborda egy alumínium vagy réz szerkezet, amely vezetés útján felfogja a hőt a hőforrásból, és a hőt légáramlásba (bizonyos esetekben vízbe vagy más folyadékokba) adja át konvekció céljából.
Különféle típusú radiátorok
A hűtőbordák több ezer méretű és formájúak, az egyes tranzisztorokat összekötő kis, préselt fém bordáktól a sok bordával (ujjal) rendelkező nagy extrudálásokig, amelyek elfogják a konvektív légáramlást, és hőt adnak át ennek a légáramlásnak.
A hűtőbordák előnye, hogy nincsenek mozgó alkatrészeik, működési költségük, meghibásodási módjuk stb.
Miután a hűtőbordát csatlakoztatták a hőforráshoz, a konvekció természetes módon megy végbe, ahogy a meleg levegő felemelkedik, elindul és tovább hoz létre légáramlást.
Bár a hűtőbordák használata egyszerű, van néhány hátránya:
1. A nagy mennyiségű hőt továbbító hűtőbordák terjedelmesek, költségesek és nehezek, és megfelelően kell őket elhelyezni, ami befolyásolja vagy korlátozza az áramköri lap fizikai elrendezését;
2. A légáramlásban lévő por eltömítheti a bordákat, ami csökkenti a hatékonyságot;
3. Megfelelően kell csatlakoztatni a hőforráshoz, hogy a hő zökkenőmentesen áramolhasson a hőforrásból a radiátorba.
Hővezeték
A hőszabályozási készlet másik fontos eleme, amely a hőt A pontból B pontba viszi át mindenféle aktív kényszerítő mechanizmus nélkül.
Egy szinterezett magot és egy lezárt fémcsövet tartalmaz munkafolyadékból, amely nem maga hűtőbordaként működik, hanem elnyeli a hőt egy hőforrásból, és átadja egy hűvösebb helyre.
A hőcsövek akkor használhatók, ha a hőforrás közelében nincs elég hely a hűtőbordának, vagy ha nincs elegendő légáramlás.
A hőcsövek hatékonyan működnek, és a hőt a forrásból egy jobban kezelhető helyre továbbítják.
működési elve:
A hőforrás a munkafolyadékot gőzzé alakítja a lezárt csőben, és a gőz a hőt a hőcső hidegebb végéhez szállítja. Ezen a végén a gőz folyadékká kondenzálódik és hőt bocsát ki, és a folyadék visszatér a melegebb végbe.
Ez a gáz-folyadék halmazállapot-átmeneti folyamat folyamatosan zajlik, és csak a hideg és meleg végek közötti hőmérséklet-különbség hajtja.
Hűtőborda vagy más hűtőberendezés csatlakoztatása a hideg végre megoldhatja a hőelvezetés problémáját a lokális forró pontokból, ahol a légáramlás blokkolva van.
ventilátor
Ez az első lépés a léghűtéses aktív hűtőberendezés felé, amely a passzív radiátorokat és hőcsöveket elhagyja, de a ventilátoroknak is megvan a maguk fejfájása:
1. Növelje a költségeket, igényeljen helyet és növelje a rendszerzajt;
2. Hajlamos a meghibásodásra, energiát fogyaszt és az egész rendszer hatékonyságát befolyásolja.
De sok esetben, különösen, ha a légáramlási út ívelt, függőleges vagy akadályozott, gyakran csak ezek jelentik a megfelelő légáramlást.
A ventilátor teljesítményét meghatározó kulcsparaméter a levegő egységnyi hossza vagy térfogata percenként.
A fizikai méret azonban probléma: egy nagy ventilátor alacsony fordulatszámon ugyanazt a légáramot tudja előállítani, mint egy kis ventilátor nagy sebességgel, tehát méret-sebesség kompromisszum van.
Modellezés és átfogó szimuláció
Az önálló passzív rendszerek nagyobb méretűek, de megbízhatóbbak és hatékonyabbak, míg a ventilátorok olyan helyzetekben is működhetnek, amikor a passzív hűtés önmagában nem használható.
A hűtéshez melyik rendszert válasszuk, gyakran nehéz döntés lehet.
Itt van szükség modellezésre és szimulációra annak meghatározásához, hogy mennyi hűtésre van szükség, és hogyan lehet ezt elérni, ami kritikus a hatékony hőkezelési stratégia szempontjából.
A miniatűr modelleknél a hőforrásokat és hőáramlási útjaikat hőállóságuk jellemzi, amelyet a felhasznált anyag, tömeg és méret határoz meg.
A hőforrásból történő hőáramlást bemutató modellezés egyben az első lépés a saját hőleadásuk miatt hőhibát okozó komponensek értékelésében is.
Az olyan eszközszállítók, mint a nagy hőelvezetésű IC-k, MOSFET-ek és IGBT-k, gyakran olyan termikus modelleket kínálnak, amelyek részleteket adnak meg a hőforrástól az eszköz felületéig tartó hőútról.
Ha a különböző komponensek hőterhelése ismert, a következő lépés a makroszintű modellezés, ami éppoly egyszerű, mint bonyolult:
A különböző hőforrásokból származó légáram úgy van méretezve, hogy hőmérséklete a megengedett határérték alatt maradjon; Az alapvető számításokat a levegő hőmérséklete, a rendelkezésre álló nem kényszerített légáram, a ventilátor légáramlása és egyéb tényezők alapján végzik el, hogy hozzávetőleges képet kapjanak a hőmérsékleti viszonyokról.
Ezután következik a teljes termék és csomagolásának összetettebb modellezése az egyes hőforrások modellje és elhelyezkedése, a PC kártya, a ház felülete és egyéb tényezők segítségével.
Végül a modellezésnek két problémát kell megoldania:
1. A csúcs és az átlagos disszipáció problémája. Például egy állandósult állapotú komponens, amely 1 W hőt folyamatosan disszipál, eltérő hőhatást fejt ki, mint egy 10 W hőt disszipáló, de 10 százalékos időszakos munkaciklusú készülék.
Ez azt jelenti, hogy az átlagos hőeloszlás azonos, és a kapcsolódó hőtömeg és hőáram eltérő hőeloszlást eredményez. A legtöbb CFD alkalmazás statikus és dinamikus kombinációjával elemezhető.
2. Az alkatrészek és a mikromodell felületei közötti fizikai kapcsolatok tökéletlenségei, például az IC-csomag teteje és a hűtőborda közötti fizikai kapcsolat.
Ha a kapcsolat kis osztású, akkor ennek az útnak a hőellenállása megnő, és az érintkezési felületen lévő hőpárnát meg kell tölteni az út hővezető képességének növelése érdekében.
A hőkezelés csökkentheti a tápegység és a belső környezet összetevőinek hőmérsékletét, ami meghosszabbíthatja a termék élettartamát és javíthatja a megbízhatóságot.
