Pagrindiniai elektros energijos tiekimo šilumos valdymo sprendimai
Šilumos valdymas paklūsta pagrindiniams fizikos principams. Yra trys šilumos laidumo būdai: spinduliuotė, laidumas ir konvekcija.
Daugumoje elektroninių sistemų, norint pasiekti reikiamą aušinimą, pirmiausia reikia leisti šilumai išeiti iš šilumos šaltinio laidumo būdu, o paskui konvekcijos būdu perkelti į kitas vietas.
Atliekant šiluminį projektavimą, norint efektyviai pasiekti reikiamą laidumą ir konvekciją, būtina derinti įvairią šilumos valdymo įrangą.
Yra trys dažniausiai naudojami aušinimo komponentai: šilumos kriauklės, šilumos vamzdžiai ir ventiliatoriai.
Šilumos kriauklė ir šilumos vamzdis yra pasyvios aušinimo sistemos be maitinimo, o ventiliatorius yra aktyvi priverstinio oro aušinimo sistema.
Radiatorius yra aliuminio arba vario konstrukcija, kuri gali gauti šilumą iš šilumos šaltinio laidumo būdu ir perduoti šilumą oro srautui (kai kuriais atvejais vandeniui ar kitiems skysčiams), kad būtų pasiekta konvekcija.
Šilumos šalintuvai būna įvairių dydžių ir formų – nuo mažų štampuotų metalinių briaunų, jungiančių vieną tranzistorių, iki didelių ekstruzijų su daugybe briaunų (pirštų), kurios gali perimti konvekcinį oro srautą ir perduoti jam šilumą.
Radiatoriaus privalumai – nėra judančių dalių, eksploatavimo išlaidos, gedimo režimai ir kt.
Radiatorių prijungus prie šilumos šaltinio, šiltam orui kylant į viršų, natūraliai vyks konvekcija, taip prasidės ir toliau formuotų oro srautą.
Nors radiatorius lengva naudoti, yra keletas trūkumų:
Didelę šilumą perduodantis radiatorius yra didelis, brangus ir sunkus, todėl turi būti tinkamai pastatytas, o tai turės įtakos arba apribos fizinį plokštės išdėstymą;
Pelekai gali būti užblokuoti dėl oro srauto dulkių, todėl sumažėja efektyvumas;
Jis turi būti tinkamai prijungtas prie šilumos šaltinio, kad šiluma sklandžiai tekėtų iš šilumos šaltinio į radiatorių.
Šilumos vamzdis
Tai dar vienas svarbus šilumos valdymo komplekto komponentas, galintis perduoti šilumą iš taško A į tašką B be jokio aktyvaus priverstinio mechanizmo.
Jame yra sukepinta šerdis ir sandarus metalinis darbinio skysčio vamzdelis. Jis pats savaime neveikia kaip radiatorius. Jo funkcija yra sugerti šilumą iš šilumos šaltinio ir perduoti ją į šaltesnę vietą.
Šilumos vamzdžiai gali būti naudojami, kai šalia šilumos šaltinio nėra pakankamai vietos radiatoriui pastatyti arba oro srautas yra nepakankamas. Šilumos vamzdis pasižymi dideliu darbo efektyvumu ir gali perduoti šilumą iš šaltinio į patogiau valdomą vietą.
Jo veikimo principas yra paprastas ir išradingas:
Šilumos šaltinis uždarame vamzdyje darbinį skystį paverčia garais, o garai perduoda šilumą į šaltesnį šilumos vamzdžio galą. Šiame gale garai kondensuojasi į skystį ir išskiria šilumą, o skystis grįžta į karštesnį galą.
Šis dujų ir skysčių transformacijos procesas vyksta nepertraukiamai ir jį lemia tik temperatūros skirtumas tarp šaltojo ir karštojo galo. Radiatoriaus ar kito aušinimo įrenginio prijungimas prie šaltojo galo gali išspręsti šilumos išsklaidymo problemą vietiniuose karštuosiuose taškuose, kur užblokuotas oro srautas.
Ventiliatorius
Tai pirmas žingsnis link priverstiniu oru aušinamo aktyviojo šilumnešio, neskaitant pasyviųjų radiatorių ir šilumos vamzdžių, tačiau ventiliatoriai turi ir trūkumų:
didelė kaina, reikia vietos, padidina sistemos triukšmą;
Linkęs į gedimus, sunaudoja energiją ir turi įtakos visos sistemos efektyvumui
Tačiau daugeliu atvejų, ypač kai oro srauto kelias yra lenktas, vertikalus arba nelygus, jie dažniausiai yra vienintelis būdas gauti pakankamą oro srautą.
Pagrindinis parametras, apibrėžiantis ventiliatoriaus galingumą, yra vieneto ilgio arba vieneto tūrio oro srauto greitis per minutę.
Tačiau fizinis dydis yra problema: didelis ventiliatorius su mažu sukimosi greičiu gali sukurti tokį patį oro srautą kaip mažas ventiliatorius su dideliu sukimosi greičiu, todėl yra kompromisas tarp dydžio ir greičio.
Modeliavimas ir visapusiškas modeliavimas
Atskiros pasyviosios sistemos yra didesnio dydžio, tačiau patikimesnės ir efektyvesnės, o ventiliatoriai gali atlikti tam tikrą vaidmenį situacijose, kai pasyvaus aušinimo negalima naudoti atskirai.
Kokią sistemą pasirinkti vėsinimui, dažnai būna sunkus sprendimas.
Šiuo metu būtina nustatyti, kiek aušinimo oro reikia ir kaip pasiekti aušinimą modeliuojant ir modeliuojant, o tai būtina norint efektyviai valdyti šilumos valdymo strategijas.
Miniatiūriniam modeliui šilumos šaltinis ir jo šilumos srauto kelias pasižymi savo šilumine varža, o šiluminę varžą lemia naudojama medžiaga, kokybė ir dydis.
Modeliavimas parodo, kaip šiluma teka iš šilumos šaltinio, ir taip pat yra pirmasis žingsnis vertinant komponentus, kurie sukelia šilumines avarijas dėl savo šilumos išsklaidymo.
Pavyzdžiui, įrenginių tiekėjai, tokie kaip didelio šilumos išsklaidymo IC, MOSFET ir IGBT, paprastai pateikia šiluminius modelius, kurie gali pateikti išsamią informaciją apie šiluminį kelią nuo šilumos šaltinio iki įrenginio paviršiaus.
Kai žinoma kiekvieno komponento šiluminė apkrova, kitas žingsnis yra modeliavimas makro lygiu, kuris yra paprastas ir sudėtingas:
Sureguliuokite oro srauto per įvairius šilumos šaltinius dydį, kad jo temperatūra būtų žemesnė už leistiną ribą; naudokite oro temperatūrą, nepriverstinį oro srautą, ventiliatoriaus oro srautą ir kitus veiksnius, kad atliktumėte pagrindinius skaičiavimus, kad apytiksliai suprastumėte temperatūros situaciją.
Kitas žingsnis – naudojant kiekvieno šilumos šaltinio modelį ir vietą, PC plokštę, korpuso paviršių ir kitus veiksnius atlikti sudėtingesnį viso gaminio ir jo pakuotės modeliavimą.
Galiausiai, modeliavimas turi išspręsti dvi problemas:
Didžiausios ir vidutinės sklaidos problema. Pavyzdžiui, pastovios būsenos komponentas, kurio nuolatinis šilumos sklaida yra 1 W, ir įrenginys, kurio šiluminis sklaida yra 10 W, bet su 10 % pertraukiamu darbo ciklu, turi skirtingą šiluminį poveikį.
Tai reiškia, kad vidutinis šilumos išsiskyrimas yra vienodas, o susijusi šilumos masė ir šilumos srautas skirs skirtingą šilumos pasiskirstymą. Dauguma CFD programų gali derinti statinę ir dinaminę analizę.
Komponento paviršiaus ir miniatiūrinio modelio fizinio ryšio netobulumas, pvz., fizinis ryšys tarp IC paketo viršaus ir šilumos kriauklės.
Jei jungtis turi mažą atstumą, šio tako šiluminė varža padidės, todėl kontaktinį paviršių būtina užpildyti šilumine trinkele, kad padidėtų tako šilumos laidumas.
Šiluminis valdymas gali sumažinti maitinimo šaltinio ir vidinės aplinkos komponentų temperatūrą, o tai gali pailginti gaminio tarnavimo laiką ir padidinti patikimumą.
Tačiau šiluminis valdymas yra integruota sąvoka, suskaidžius iki smulkmenų, tai yra didžiulė tema.
Tai apima dydžio, galios, efektyvumo, svorio, patikimumo ir sąnaudų kompromisus. Turi būti įvertintas projekto prioritetas ir apribojimai.
