Die wichtigsten Wärmemanagementlösungen der Stromversorgung
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: Kühlkörper, Heatpipes und Lüfter.
Der Kühlkörper und die Heatpipe sind passive Kühlsysteme ohne Stromversorgung, während der Lüfter eine aktive Umluftkühlung 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 Heizkörper einfach zu bedienen ist, gibt es einige Nachteile:
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;
Die Lamellen können durch Staub im Luftstrom blockiert werden, was die Effizienz verringert;
Es muss richtig an die Wärmequelle angeschlossen werden, damit die Wärme reibungslos von der Wärmequelle zum Heizkörper fließen kann.
Wärmeleitung
Es ist eine weitere wichtige Komponente der Wärmemanagement-Suite, die Wärme von Punkt A zu Punkt B ohne jegliche Form eines aktiven Kraftmechanismus übertragen kann.
Es enthält einen gesinterten Kern und ein abgedichtetes Metallrohr mit Arbeitsflüssigkeit. Es wirkt nicht selbst als Heizkörper. Seine Funktion besteht darin, Wärme von der Wärmequelle aufzunehmen und an einen kälteren Bereich zu übertragen.
Heatpipes können verwendet werden, wenn in der Nähe der Wärmequelle nicht genügend Platz für die Platzierung des Radiators vorhanden ist oder der Luftstrom nicht ausreicht. Das Wärmerohr hat eine hohe Arbeitseffizienz und kann Wärme von der Quelle an einen Ort übertragen, der bequemer zu handhaben ist.
Sein Funktionsprinzip ist einfach und genial:
Die Wärmequelle wandelt das Arbeitsmedium im abgedichteten Rohr in Dampf um, und der Dampf überträgt die Wärme an das kältere Ende des Wärmerohrs. An diesem Ende kondensiert der Dampf zu Flüssigkeit und gibt Wärme ab, während die Flüssigkeit zum heißeren Ende zurückkehrt.
Dieser Prozess der Gas-Flüssig-Umwandlung läuft kontinuierlich und wird nur durch die Temperaturdifferenz zwischen dem kalten Ende und dem heißen Ende angetrieben. Das Anschließen eines Kühlers oder einer anderen Kühlvorrichtung am kalten Ende kann das Wärmeableitungsproblem lokaler heißer Stellen lösen, an denen der Luftstrom blockiert ist.
Fan
Es ist der erste Schritt zu einem forcierten Luftgekühlten aktiven Kühlkörper, abgesehen von passiven Radiatoren und Heatpipes, aber Lüfter haben auch Nachteile:
hohe Kosten, benötigen Platz, erhöhen das Systemgeräusch;
Störanfällig, verbrauchen Energie und beeinträchtigen die Effizienz des Gesamtsystems
Aber in vielen Fällen, insbesondere wenn der Luftstrompfad gekrümmt, vertikal oder nicht glatt ist, sind sie normalerweise die einzige Möglichkeit, einen ausreichenden Luftstrom zu erzielen.
Der entscheidende Parameter, der die Leistung eines Ventilators bestimmt, ist die Gerätelänge bzw. der Gerätevolumenstrom der Luft pro Minute.
Allerdings ist die physikalische Größe ein Problem: Ein großer Lüfter mit niedriger Drehzahl kann den gleichen Luftstrom erzeugen wie ein kleiner Lüfter mit hoher Drehzahl, daher gibt es einen Kompromiss zwischen Größe und Drehzahl.
Modellierung und umfassende Simulation
Separate passive Systeme sind größer, aber zuverlässiger und effizienter, und Lüfter können in Situationen eine Rolle spielen, in denen passive Kühlung nicht allein verwendet werden kann.
Welches System zur Kühlung gewählt wird, ist oft eine schwierige Entscheidung.
Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig zu bestimmen, wie viel Kühlluft benötigt wird und wie eine Kühlung durch Modellierung und Simulation erreicht werden kann, was für effiziente Wärmemanagementstrategien unerlässlich ist.
Beim Miniaturmodell werden die Wärmequelle und ihr Wärmeflussweg durch ihren Wärmewiderstand charakterisiert, wobei der Wärmewiderstand durch das verwendete Material, die Qualität und die verwendete Größe bestimmt wird.
Die Modellierung zeigt den Wärmefluss von der Wärmequelle und ist auch der erste Schritt bei der Bewertung von Komponenten, die aufgrund ihrer eigenen Wärmeableitung thermische Störfälle verursachen.
Beispielsweise stellen Gerätehersteller wie ICs mit hoher Wärmeableitung, MOSFETs und IGBTs normalerweise thermische Modelle bereit, die Details des thermischen Pfads von der Wärmequelle zur Oberfläche des Geräts liefern können.
Sobald die thermische Belastung jeder Komponente bekannt ist, besteht der nächste Schritt darin, auf Makroebene zu modellieren, was sowohl einfach als auch komplex ist:
Passen Sie die Größe des Luftstroms durch verschiedene Wärmequellen an, um die Temperatur unter dem zulässigen Grenzwert zu halten; Verwenden Sie die Lufttemperatur, den verfügbaren ungezwungenen Luftstrom, den Ventilatorluftstrom und andere Faktoren, um grundlegende Berechnungen durchzuführen, um die Temperatursituation grob zu verstehen.
Der nächste Schritt besteht darin, das Modell und die Position jeder Wärmequelle, Leiterplatte, Gehäuseoberfläche und anderer Faktoren zu verwenden, um eine komplexere Modellierung des gesamten Produkts und seiner Verpackung durchzuführen.
Schließlich muss die Modellierung zwei Probleme lösen:
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.
Die Unvollkommenheit der physischen Verbindung zwischen der Oberfläche des Bauteils und dem Miniaturmodell, 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.
