Das Netzteil erzeugt während des Betriebs Wärme, und der kontinuierliche Temperaturanstieg führt zu Leistungsänderungen, die schließlich zu einem Systemausfall führen können. Darüber hinaus verkürzt die Hitze auch die Lebensdauer der Komponenten und beeinträchtigt die langfristige Zuverlässigkeit.
Eine wärmeerzeugende Komponente verursacht, selbst wenn der Temperaturanstieg ihre zulässige Grenze überschreitet, eine Erwärmung des gesamten Systems, dies bedeutet nicht unbedingt, dass das gesamte System überhitzt wird, aber die von der Komponente erzeugte überschüssige Wärme muss abgeführt werden.
Wohin also geht die Hitze?
An einem kühleren Ort ableiten, entweder neben dem System und dem Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses (nur möglich, wenn die Außenseite kühler ist als die Innenseite).
Wärmemanagementlösungen
Das Wärmemanagement folgt den Grundprinzipien der Physik, und es gibt drei Arten der Wärmeleitung: Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion.
Bei den meisten elektronischen Systemen wird die erforderliche Kühlung erreicht, indem Wärme von der Wärmequelle weggeleitet und dann durch Konvektion an eine andere Stelle übertragen wird.
Das thermische Design erfordert eine Kombination verschiedener Wärmemanagement-Hardware, um die erforderliche Leitung und Konvektion effizient zu erreichen.
Es gibt drei am häufigsten verwendete Kühlelemente: Kühlkörper, Wärmerohre und Lüfter.
Kühlkörper und Heatpipes sind passive Kühlsysteme, die keine Stromversorgung benötigen, während Lüfter ein aktives Zwangsluftkühlsystem sind.
Kühlkörper
Ein Kühlkörper ist eine Aluminium- oder Kupferstruktur, die Wärme von einer Wärmequelle durch Leitung aufnimmt und die Wärme zur Konvektion in einen Luftstrom (in einigen Fällen Wasser oder andere Flüssigkeiten) überträgt.
Verschiedene Arten von Heizkörpern
Kühlkörper gibt es in Tausenden von Größen und Formen, von kleinen gestanzten Metallrippen, die einzelne Transistoren verbinden, bis hin zu großen Profilen mit vielen Rippen (Fingern), die den konvektiven Luftstrom abfangen und Wärme an diesen Luftstrom übertragen.
Kühlkörper haben den Vorteil, dass sie keine beweglichen Teile, Betriebskosten, Fehlermodi und mehr haben.
Sobald der Kühlkörper mit der Wärmequelle verbunden ist, tritt auf natürliche Weise Konvektion auf, wenn die warme Luft aufsteigt, wodurch ein Luftstrom entsteht und fortgesetzt wird.
Obwohl Kühlkörper einfach zu verwenden sind, gibt es einige Nachteile:
1. Kühlkörper, die große Wärmemengen übertragen, sind sperrig, kostspielig und schwer und müssen korrekt platziert werden, was das physikalische Layout der Leiterplatte beeinflusst oder einschränkt;
2. Die Rippen können durch Staub im Luftstrom blockiert werden, was die Effizienz verringert;
3. Es muss ordnungsgemäß an die Wärmequelle angeschlossen sein, damit die Wärme reibungslos von der Wärmequelle zum Heizkörper fließen kann.
Wärmeleitung
Es ist eine weitere wichtige Komponente des Wärmemanagement-Kits und überträgt Wärme von Punkt A nach Punkt B ohne jegliche Form eines aktiven Zwangsmechanismus.
Es enthält einen gesinterten Kern und ein versiegeltes Metallrohr mit Arbeitsflüssigkeit, das selbst nicht als Kühlkörper fungiert, sondern Wärme von einer Wärmequelle absorbiert und an einen kühleren Bereich überträgt.
Heatpipes können verwendet werden, wenn in der Nähe der Wärmequelle nicht genügend Platz für einen Kühlkörper vorhanden ist oder der Luftstrom nicht ausreicht.
Wärmerohre arbeiten effizient und übertragen Wärme von der Quelle zu einem besser handhabbaren Ort.
Arbeitsprinzip:
Die Wärmequelle wandelt das Arbeitsmedium innerhalb des abgedichteten Rohrs in Dampf um, und der Dampf transportiert Wärme zum kühleren Ende des Wärmerohrs. An diesem Ende kondensiert der Dampf zu einer Flüssigkeit und gibt Wärme ab, und die Flüssigkeit kehrt zum heißeren Ende zurück.
Dieser Gas-Flüssig-Zustandsübergangsprozess läuft kontinuierlich ab und wird nur durch die Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und dem heißen Ende angetrieben.
Das Anschließen eines Kühlkörpers oder eines anderen Kühlgeräts am kalten Ende kann das Problem der Wärmeableitung von lokalisierten heißen Stellen lösen, an denen der Luftstrom blockiert ist.
Fan
Es ist der erste Schritt in Richtung eines zwangsluftgekühlten aktiven Kühlgeräts, das passive Radiatoren und Heatpipes über Bord wirft, aber auch Lüfter haben ihre eigenen Kopfschmerzen:
1. Erhöhung der Kosten, Platzbedarf und Erhöhung des Systemrauschens;
2. Es ist störanfällig, verbraucht Energie und beeinträchtigt die Effizienz des Gesamtsystems.
Aber in vielen Fällen, insbesondere wenn der Luftstrompfad gekrümmt, vertikal oder versperrt ist, sind sie oft die einzige Möglichkeit, einen ausreichenden Luftstrom zu erhalten.
Der Schlüsselparameter, der die Kapazität eines Ventilators definiert, ist die Einheitslänge oder der Einheitsvolumenstrom der Luft pro Minute.
Die physische Größe ist jedoch ein Problem: Ein großer Lüfter mit niedriger Geschwindigkeit kann den gleichen Luftstrom erzeugen wie ein kleiner Lüfter mit hoher Geschwindigkeit, sodass ein Kompromiss zwischen Größe und Geschwindigkeit besteht.
Modellierung und umfassende Simulation
Eigenständige passive Systeme sind größer, aber zuverlässiger und effizienter, während Lüfter in Situationen funktionieren können, in denen passive Kühlung allein nicht verwendet werden kann.
Welches System zur Kühlung zu wählen ist, kann oft eine schwierige Entscheidung sein.
Hier sind Modellierung und Simulation erforderlich, um zu bestimmen, wie viel Kühlung benötigt wird und wie dies erreicht werden kann, was für eine effiziente Wärmemanagementstrategie von entscheidender Bedeutung ist.
Bei Miniaturmodellen werden Wärmequellen und deren Pfade für den Wärmefluss durch ihren thermischen Widerstand charakterisiert, der durch das verwendete Material, die Masse und die Größe bestimmt wird.
Die Modellierung des Wärmeflusses von der Wärmequelle ist auch der erste Schritt bei der Bewertung von Komponenten, die aufgrund ihrer eigenen Wärmeableitung ein thermisches Versagen verursachen.
Gerätelieferanten wie ICs mit hoher Wärmeableitung, MOSFETs und IGBTs bieten häufig Wärmemodelle an, die Details des Wärmepfads von der Wärmequelle zur Geräteoberfläche liefern.
Sind die thermischen Belastungen der verschiedenen Komponenten bekannt, geht es im nächsten Schritt um die ebenso einfache wie komplexe Modellierung auf Makroebene:
Der Luftstrom aus verschiedenen Wärmequellen ist so bemessen, dass seine Temperatur unter den zulässigen Grenzen bleibt; Grundlegende Berechnungen werden anhand der Lufttemperatur, des verfügbaren ungezwungenen Luftstroms, des Lüfterluftstroms und anderer Faktoren durchgeführt, um eine ungefähre Vorstellung von den Temperaturbedingungen zu erhalten.
Als nächstes folgt eine komplexere Modellierung des gesamten Produkts und seiner Verpackung unter Verwendung des Modells und der Position jeder Wärmequelle, der Leiterplatte, der Oberfläche des Gehäuses und anderer Faktoren.
Schließlich muss die Modellierung zwei Probleme lösen:
1. Das Problem der Spitzen- und Durchschnittsdissipation. Beispielsweise hat eine stationäre Komponente, die kontinuierlich 1 W Wärme abführt, eine andere thermische Auswirkung als ein Gerät, das 10 W Wärme abführt, aber einen intermittierenden Arbeitszyklus von 10 Prozent hat.
Dies bedeutet, dass die durchschnittliche Wärmeableitung gleich ist und die zugehörige thermische Masse und der Wärmestrom unterschiedliche Wärmeverteilungen erzeugen. Die meisten CFD-Anwendungen können mit einer Kombination aus statischer und dynamischer Analyse analysiert werden.
2. Unvollkommenheiten in physikalischen Verbindungen zwischen Komponenten und Mikromodelloberflächen, wie z. B. der physikalischen Verbindung zwischen der Oberseite des IC-Gehäuses und dem Kühlkörper.
Wenn die Verbindung einen kleinen Abstand hat, erhöht sich der Wärmewiderstand dieses Pfads, und es ist notwendig, das Wärmeleitpad auf der Kontaktfläche zu füllen, um die Wärmeleitfähigkeit des Pfads zu verbessern.
Das Wärmemanagement kann die Temperatur der Komponenten in der Stromversorgung und der internen Umgebung reduzieren, was die Lebensdauer des Produkts verlängern und die Zuverlässigkeit verbessern kann.
