Güç kaynağı çalışma sırasında ısı üretir ve sürekli sıcaklık artışı performansta değişikliklere neden olur ve bu da sonunda sistem arızasına yol açabilir; ayrıca ısı, bileşenlerin ömrünü kısaltacak ve uzun vadeli güvenilirliği etkileyecektir.
Isı üreten bir bileşen, sıcaklık artışı izin verilen sınırı aşsa bile tüm sistemin ısınmasına neden olur; bu, tüm sistemin aşırı ısındığı anlamına gelmez, ancak bileşen tarafından üretilen fazla ısının dağıtılması gerekir.
Peki ısı nereye gidiyor?
Sisteme ve kasaya bitişik veya kasanın dışına (yalnızca dışarısı içeriden daha soğuksa mümkündür) daha soğuk bir yere dağıtın.
Termal Yönetim Çözümleri
Termal yönetim fiziğin temel ilkelerini izler ve ısıyı iletmenin üç yolu vardır: radyasyon, iletim ve konveksiyon.
Çoğu elektronik sistem için gerekli soğutma, ısıyı ısı kaynağından uzağa ileterek ve ardından konveksiyon yoluyla başka bir yere aktararak sağlanır.
Termal tasarım, gerekli iletim ve konveksiyonu verimli bir şekilde elde etmek için çeşitli termal yönetim donanımının bir kombinasyonunu gerektirir.
En sık kullanılan üç soğutma elemanı vardır: ısı emiciler, ısı boruları ve fanlar.
Isı yutucular ve ısı boruları, güç kaynağı gerektirmeyen pasif soğutma sistemleridir, fanlar ise aktif bir cebri hava soğutma sistemidir.
soğutucu
Soğutucu, bir ısı kaynağından ısıyı iletim yoluyla yakalayan ve ısıyı konveksiyon için bir hava akışına (bazı durumlarda su veya diğer sıvılar) aktaran alüminyum veya bakır bir yapıdır.
Çeşitli radyatör türleri
Isı yutucular, tek tek transistörleri birbirine bağlayan küçük damgalı metal kanatçıklardan, konvektif hava akışını engelleyen ve ısıyı bu hava akışına aktaran birçok kanatlı (parmak) büyük ekstrüzyonlara kadar binlerce boyut ve şekilde gelir.
Soğutucuların hareketli parçaları, işletme maliyetleri, arıza modları ve daha fazlası olmaması gibi avantajları vardır.
Soğutucu ısı kaynağına bağlandıktan sonra, sıcak hava yükseldikçe konveksiyon doğal olarak gerçekleşir, hava akışı oluşturmaya başlar ve devam eder.
Isı emicilerin kullanımı kolay olsa da bazı dezavantajlar vardır:
1. Büyük miktarlarda ısı ileten ısı emiciler hacimli, maliyetli ve ağırdır ve devre kartının fiziksel yerleşimini etkileyecek veya sınırlayacak şekilde doğru yerleştirilmelidir;
2. Kanatlar, hava akışındaki toz nedeniyle tıkanarak verimliliği azaltabilir;
3. Isının, ısı kaynağından radyatöre sorunsuz bir şekilde akabilmesi için ısı kaynağına doğru şekilde bağlanması gerekir.
Isı borusu
Termal yönetim kitinin bir başka önemli bileşenidir ve ısıyı A noktasından B noktasına herhangi bir aktif zorlama mekanizması olmadan aktarır.
Sinterlenmiş bir çekirdek ve kendi başına bir soğutucu görevi görmeyen, bunun yerine bir ısı kaynağından ısıyı emen ve daha soğuk bir alana aktaran sızdırmaz bir çalışma sıvısı tüpü içerir.
Isı boruları, ısı kaynağının yakınında bir ısı emici için yeterli alan olmadığında veya yetersiz hava akışı olduğunda kullanılabilir.
Isı boruları verimli çalışır ve ısıyı kaynaktan daha yönetilebilir bir yere aktarır.
çalışma prensibi:
Isı kaynağı, çalışma sıvısını sızdırmaz boru içinde buhara dönüştürür ve buhar, ısıyı ısı borusunun daha soğuk olan ucuna taşır. Bu uçta buhar yoğunlaşarak bir sıvıya dönüşür ve ısı salar ve sıvı daha sıcak olan uca geri döner.
Bu gaz-sıvı hal geçiş süreci sürekli olarak çalışır ve yalnızca soğuk ve sıcak uçlar arasındaki sıcaklık farkı tarafından yürütülür.
Soğuk uca bir soğutucu veya başka bir soğutma cihazı bağlamak, hava akışının engellendiği yerel sıcak noktalardan ısı dağılımı sorununu çözebilir.
fan
Pasif radyatörleri ve ısı borularını ortadan kaldıran cebri hava soğutmalı bir aktif soğutma cihazına doğru ilk adımdır, ancak fanların da kendi baş ağrıları vardır:
1. Maliyeti artırın, alan gerektirir ve sistem gürültüsünü artırın;
2. Arızaya eğilimlidir, enerji tüketir ve tüm sistemin verimini etkiler.
Ancak birçok durumda, özellikle hava akış yolu kavisli, dikey veya engellenmiş olduğunda, yeterli hava akışını elde etmenin tek yolu genellikle bunlardır.
Bir fanın kapasitesini tanımlayan anahtar parametre, dakikadaki havanın birim uzunluğu veya birim hacim akışıdır.
Yine de fiziksel boyut bir sorundur: Düşük hızdaki büyük bir fan, yüksek hızdaki küçük bir fanla aynı hava akışını üretebilir, bu nedenle boyut-hız değiş tokuşu söz konusudur.
Modelleme ve Kapsamlı Simülasyon
Bağımsız pasif sistemler boyut olarak daha büyüktür ancak daha güvenilir ve verimlidir, fanlar ise pasif soğutmanın tek başına kullanılamadığı durumlarda çalışabilir.
Soğutma için hangi sistemin seçileceği genellikle zor bir karar olabilir.
Verimli bir termal yönetim stratejisi için kritik olan, ne kadar soğutmaya ihtiyaç duyulduğunu ve buna nasıl ulaşılacağını belirlemek için modelleme ve simülasyonun gerekli olduğu yer burasıdır.
Minyatür modeller için, ısı kaynakları ve ısı akışı yolları, kullanılan malzeme, kütle ve boyuta göre belirlenen termal dirençleri ile karakterize edilir.
Isı kaynağından ısının nasıl aktığını gösteren modelleme, kendi ısı dağılımından dolayı termal arızaya neden olan bileşenlerin değerlendirilmesinde de ilk adımdır.
Yüksek ısı dağılımlı IC'ler, MOSFET'ler ve IGBT'ler gibi cihaz tedarikçileri, genellikle ısı kaynağından cihaz yüzeyine kadar olan termal yolun ayrıntılarını sağlayan termal modeller sağlar.
Çeşitli bileşenlerin termal yükleri bilindikten sonraki adım, karmaşık olduğu kadar basit olan makro düzeyde modellemektir:
Çeşitli ısı kaynaklarından gelen hava akışı, sıcaklığını izin verilen sınırların altında tutacak şekilde boyutlandırılmıştır; sıcaklık koşulları hakkında kabaca bir fikir edinmek için hava sıcaklığı, mevcut zorlamasız hava akışı, fan hava akışı ve diğer faktörler kullanılarak temel hesaplamalar yapılır.
Ardından, her bir ısı kaynağının modeli ve konumu, bilgisayar kartı, kasa yüzeyi ve diğer faktörler kullanılarak tüm ürünün ve ambalajının daha karmaşık bir modellemesi gelir.
Son olarak, modelleme iki sorunu çözmek zorundadır:
1. Pik ve ortalama dağılım sorunu. Örneğin, sürekli olarak 1 W ısı yayan kararlı durum bileşeni, 10 W ısı yayan ancak yüzde 10 aralıklı görev döngüsüne sahip bir cihazdan farklı bir termal etkiye sahiptir.
Bu, ortalama ısı dağılımının aynı olduğu ve ilişkili termal kütle ve ısı akışının farklı ısı dağılımları üreteceği anlamına gelir. Çoğu CFD uygulaması, statik ve dinamik bir kombinasyonla analiz edilebilir.
2. Bileşenler ve mikro model yüzeyleri arasındaki fiziksel bağlantılardaki kusurlar, örneğin IC paketinin üstü ile ısı alıcı arasındaki fiziksel bağlantı.
Bağlantı küçük bir adıma sahipse, bu yolun termal direnci artacaktır ve yolun termal iletkenliğini artırmak için temas yüzeyindeki termal pedi doldurmak gerekir.
Termal yönetim, güç kaynağındaki ve iç ortamdaki bileşenlerin sıcaklığını düşürerek ürünün hizmet ömrünü uzatabilir ve güvenilirliği artırabilir.
