Thermal Management Technology Series: Power Cooling Management
Wenn Elektroingenieure den Begriff"Power Management" erwähnen, denken die meisten an MOS-Röhren, Wandler, Transformatoren usw.
Tatsächlich ist Power Management viel mehr als das.
Das Netzteil erzeugt während des Betriebs Wärme und ein ständiger Temperaturanstieg führt zu Leistungsänderungen, die schließlich zu Systemausfällen führen können.
Darüber hinaus verkürzt Hitze die Lebensdauer der Komponenten und beeinträchtigt die langfristige Zuverlässigkeit.
Daher umfasst das Energiemanagement auch das Wärmemanagement. In Bezug auf das Wärmemanagement müssen zwei Gesichtspunkte verstanden werden:
& quot;Mikro"|Problem
Eine einzelne Komponente hat sich aufgrund übermäßiger Wärmeentwicklung überhitzt, aber die Temperatur des restlichen Systems und des Gehäuses liegt im Rahmen.
& quot;Makro"|Problem
Die Temperatur des gesamten Systems ist aufgrund des Wärmestaus von mehreren Wärmequellen zu hoch.
Der Ingenieur muss bestimmen, wie viele der Wärmemanagementprobleme Mikro- und Makroprobleme sind, und den Grad der Korrelation zwischen den beiden bestimmen.
Das einfache Verständnis ist, dass selbst wenn der Temperaturanstieg einer wärmeerzeugenden Komponente ihre zulässige Grenze überschreitet und das gesamte System aufheizt, dies nicht unbedingt eine Überhitzung des gesamten Systems bedeutet, sondern die von der Komponente erzeugte überschüssige Wärme muss abgeführt werden.
Wo bleibt die Hitze?
An einem kälteren Ort verstreut, kann es sich um den angrenzenden Teil des Systems und das Chassis oder außerhalb des Chassis handeln (nur möglich, wenn die Außentemperatur niedriger als die Innentemperatur ist).
Das Wärmemanagement folgt den Grundprinzipien der Physik. Es gibt drei Arten der Wärmeleitung: Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion.
Bei den meisten elektronischen Systemen besteht die erforderliche Kühlung darin, die Wärme zuerst durch Leitung aus der Wärmequelle zu lassen und sie dann durch Konvektion an andere Orte zu übertragen.
Bei der Durchführung des thermischen Designs ist es erforderlich, verschiedene Hardware für das Wärmemanagement zu kombinieren, um die erforderliche Leitung und Konvektion effektiv zu erreichen.
Es gibt drei am häufigsten verwendete Kühlkomponenten: Radiatoren, Heatpipes und Lüfter.
Radiator und Heatpipe sind passive Kühlsysteme ohne Stromversorgung, während der Lüfter eine aktive Zwangsluftkühlung ist.
Der Kühler ist eine Aluminium- oder Kupferstruktur, die durch Wärmeleitung Wärme von einer Wärmequelle gewinnen und die Wärme an den Luftstrom (in einigen Fällen an Wasser oder andere Flüssigkeiten) übertragen kann, um Konvektion zu erreichen.
Kühlkörper gibt es in Tausenden von Größen und Formen, von kleinen gestanzten Metallrippen, die einen einzelnen Transistor verbinden, bis hin zu großen Extrusionen mit vielen Rippen (Fingern), die den konvektiven Luftstrom abfangen und Wärme darauf übertragen können.
Der Kühler hat die Vorteile, dass keine beweglichen Teile, Betriebskosten, Fehlermöglichkeiten usw.
Sobald der Heizkörper an die Wärmequelle angeschlossen ist, tritt beim Aufsteigen der warmen Luft auf natürliche Weise Konvektion auf, wodurch ein Luftstrom beginnt und weiter gebildet wird.
Obwohl der Kühler einfach zu verwenden ist, gibt es einige Nachteile: 1. Der Kühler, der große Wärme überträgt, ist groß, teuer und schwer und muss richtig platziert werden, was die physikalische Anordnung der Leiterplatte beeinflusst oder einschränkt;
2. Die Flossen können durch Staub im Luftstrom blockiert werden, was die Effizienz verringert;
3. Es muss korrekt an die Wärmequelle angeschlossen werden, damit die Wärme reibungslos von der Wärmequelle zum Heizkörper fließen kann.
Schließlich muss die Modellierung zwei Probleme lösen:
1. Das Problem der Spitzen- und Durchschnittsverluste. Beispielsweise haben ein stationäres Bauteil mit einer kontinuierlichen Wärmeableitung von 1 W und ein Gerät mit einer Wärmeableitung von 10 W, aber mit einem intermittierenden Arbeitszyklus von 10 % unterschiedliche thermische Effekte.
Das heißt, die durchschnittliche Wärmeableitung ist gleich und die damit verbundene Wärmemasse und der Wärmestrom erzeugen unterschiedliche Wärmeverteilungen. Die meisten CFD-Anwendungen können statische und dynamische Analysen kombinieren.
2. Die unvollkommene physische Verbindung zwischen Komponenten und der Oberfläche des Miniaturmodells, wie beispielsweise die physische Verbindung zwischen der Oberseite des IC-Gehäuses und dem Kühlkörper.
Wenn die Verbindung einen geringen Abstand hat, erhöht sich der Wärmewiderstand dieses Pfades, und es ist notwendig, die Kontaktfläche mit einem Wärmeleitpad zu füllen, um die Wärmeleitfähigkeit des Pfades zu erhöhen.
Das Wärmemanagement kann die Temperatur der Komponenten in der Stromversorgung und der internen Umgebung senken, was die Produktlebensdauer verlängern und die Zuverlässigkeit verbessern kann.
Aber Thermomanagement ist ein integriertes Konzept, bis ins Detail heruntergebrochen ein Riesenthema.
Es beinhaltet die Kompromisse von Größe, Leistung, Effizienz, Gewicht, Zuverlässigkeit und Kosten. Die Priorität und die Einschränkungen des Projekts müssen bewertet werden.
