A fonte de alimentação gera calor durante a operação, e o aumento contínuo da temperatura causará alterações no desempenho, o que pode levar à falha do sistema; além disso, o calor também encurtará a vida útil dos componentes e afetará a confiabilidade a longo prazo.
Um componente gerador de calor, mesmo que a elevação de temperatura ultrapasse seu limite permitido, faz com que todo o sistema aqueça, não significa necessariamente que todo o sistema esteja superaquecido, mas o excesso de calor gerado pelo componente deve ser dissipado.
Então, para onde vai o calor?
Dissipar para um local mais fresco, adjacente ao sistema e ao gabinete ou fora do gabinete (somente possível se o exterior estiver mais frio que o interior).
Soluções de gerenciamento térmico
O gerenciamento térmico segue os princípios básicos da física e existem três maneiras de conduzir o calor: radiação, condução e convecção.
Para a maioria dos sistemas eletrônicos, o resfriamento necessário é obtido conduzindo o calor para longe da fonte de calor e, em seguida, transferindo-o para outro lugar por convecção.
O design térmico requer uma combinação de vários hardwares de gerenciamento térmico para atingir com eficiência a condução e a convecção necessárias.
Existem três elementos de resfriamento mais comumente usados: dissipadores de calor, tubos de calor e ventiladores.
Dissipadores de calor e tubos de calor são sistemas de resfriamento passivo que não requerem uma fonte de alimentação, enquanto os ventiladores são um sistema de resfriamento de ar forçado ativo.
dissipador de calor
Um dissipador de calor é uma estrutura de alumínio ou cobre que captura calor de uma fonte de calor por condução e transfere o calor para um fluxo de ar (em alguns casos, água ou outros líquidos) para convecção.
Vários tipos de radiadores
Dissipadores de calor vêm em milhares de tamanhos e formas, desde pequenas aletas de metal estampadas que conectam transistores individuais até grandes extrusões com muitas aletas (dedos) que interceptam o fluxo de ar convectivo e transferem calor para esse fluxo de ar.
Os dissipadores de calor têm a vantagem de não ter partes móveis, custos operacionais, modos de falha e muito mais.
Depois que o dissipador de calor é conectado à fonte de calor, a convecção ocorre naturalmente à medida que o ar quente sobe, iniciando e continuando a criar fluxo de ar.
Embora os dissipadores de calor sejam fáceis de usar, existem algumas desvantagens:
1. Dissipadores que transmitem grandes quantidades de calor são volumosos, caros e pesados, e devem ser colocados corretamente, o que afetará ou limitará o layout físico da placa de circuito;
2. As aletas podem ficar bloqueadas por poeira no fluxo de ar, diminuindo a eficiência;
3. Ele deve estar conectado corretamente à fonte de calor para que o calor possa fluir suavemente da fonte de calor para o radiador.
tubo de calor
É outro componente importante do kit de gerenciamento térmico, transferindo calor do ponto A para o ponto B sem qualquer forma de mecanismo de forçamento ativo.
Ele contém um núcleo sinterizado e um tubo de metal selado de fluido de trabalho que não atua como um dissipador de calor, mas absorve o calor de uma fonte de calor e o transfere para uma área mais fria.
Os tubos de calor podem ser usados quando não há espaço suficiente para um dissipador de calor perto da fonte de calor ou quando há fluxo de ar insuficiente.
Os tubos de calor funcionam de forma eficiente e transferem o calor da fonte para um local mais gerenciável.
princípio de trabalho:
A fonte de calor converte o fluido de trabalho em vapor dentro do tubo selado e o vapor transporta calor para a extremidade mais fria do tubo de calor. Nesta extremidade, o vapor condensa em um líquido e libera calor, e o fluido retorna para a extremidade mais quente.
Este processo de transição de estado líquido-gás é executado continuamente e é impulsionado apenas pela diferença de temperatura entre as extremidades fria e quente.
Conectar um dissipador de calor ou outro dispositivo de resfriamento na extremidade fria pode resolver o problema de dissipação de calor de pontos quentes localizados onde o fluxo de ar é bloqueado.
fã
É o primeiro passo em direção a um dispositivo de resfriamento ativo refrigerado a ar forçado, descartando radiadores passivos e tubos de calor, mas os fãs também têm suas próprias dores de cabeça:
1. Aumentar o custo, exigir espaço e aumentar o ruído do sistema;
2. É propenso a falhas, consome energia e afeta a eficiência de todo o sistema.
Mas, em muitos casos, especialmente quando o caminho do fluxo de ar é curvo, vertical ou obstruído, eles geralmente são a única maneira de obter um fluxo de ar adequado.
O parâmetro-chave que define a capacidade de um ventilador é o comprimento da unidade ou o fluxo de volume da unidade de ar por minuto.
Porém, o tamanho físico é um problema: um grande ventilador em baixa velocidade pode produzir o mesmo fluxo de ar que um pequeno ventilador em alta velocidade, portanto, há uma compensação de tamanho e velocidade.
Modelagem e Simulação Abrangente
Os sistemas passivos autônomos são maiores em tamanho, mas são mais confiáveis e eficientes, enquanto os ventiladores podem funcionar em situações em que o resfriamento passivo sozinho não pode ser usado.
Qual sistema escolher para resfriamento geralmente pode ser uma decisão difícil.
É aqui que a modelagem e a simulação são necessárias para determinar quanto resfriamento é necessário e como alcançá-lo, o que é fundamental para uma estratégia de gerenciamento térmico eficiente.
Para modelos em miniatura, as fontes de calor e seus caminhos para o fluxo de calor são caracterizados por sua resistência térmica, que é determinada pelo material, massa e tamanho utilizado.
A modelagem mostrando como o calor flui da fonte de calor também é o primeiro passo na avaliação de componentes que causam falha térmica devido à sua própria dissipação de calor.
Os fornecedores de dispositivos, como ICs, MOSFETs e IGBTs de alta dissipação de calor, geralmente fornecem modelos térmicos que fornecem detalhes do caminho térmico da fonte de calor até a superfície do dispositivo.
Uma vez conhecidas as cargas térmicas dos vários componentes, o próximo passo é modelar a nível macro, que é tão simples quanto complexo:
O fluxo de ar de várias fontes de calor é dimensionado para manter sua temperatura abaixo dos limites permitidos; os cálculos básicos são realizados usando a temperatura do ar, o fluxo de ar não forçado disponível, o fluxo de ar do ventilador e outros fatores para obter uma ideia aproximada das condições de temperatura.
Em seguida, vem uma modelagem mais complexa de todo o produto e sua embalagem usando o modelo e a localização de cada fonte de calor, a placa do PC, a superfície do gabinete e outros fatores.
Finalmente, a modelagem tem que resolver dois problemas:
1. O problema da dissipação de pico e média. Por exemplo, um componente de estado estacionário que dissipa 1W de calor continuamente tem um impacto térmico diferente de um dispositivo que dissipa 10W de calor, mas tem um ciclo de trabalho intermitente de 10%.
Isso significa que a dissipação de calor média é a mesma e a massa térmica e o fluxo de calor associados produzirão diferentes distribuições de calor. A maioria dos aplicativos CFD pode ser analisada com uma combinação de estática e dinâmica.
2. Imperfeições nas conexões físicas entre os componentes e as superfícies do micromodelo, como a conexão física entre a parte superior da embalagem do CI e o dissipador de calor.
Se a conexão tiver passo pequeno, a resistência térmica deste caminho aumentará, sendo necessário preencher a almofada térmica na superfície de contato para aumentar a condutividade térmica do caminho.
O gerenciamento térmico pode reduzir a temperatura dos componentes na fonte de alimentação e no ambiente interno, o que pode prolongar a vida útil do produto e melhorar a confiabilidade.
