As principais soluções de gestão térmica da fonte de alimentação

O gerenciamento térmico obedece aos princípios básicos da física. Existem três formas de condução de calor: radiação, condução e convecção.

Para a maioria dos sistemas eletrônicos, atingir o resfriamento necessário é primeiro deixar o calor sair da fonte de calor por condução e, em seguida, transferi-lo para outros lugares por convecção.

Ao realizar o projeto térmico, é necessário combinar vários hardwares de gerenciamento térmico para atingir efetivamente a condução e convecção necessárias.

Existem três componentes de resfriamento mais comumente usados: dissipadores de calor, tubos de calor e ventiladores.

O dissipador de calor e o tubo de calor são sistemas de resfriamento passivos sem fonte de alimentação, enquanto o ventilador é um sistema de resfriamento de ar forçado ativo.

O radiador é uma estrutura de alumínio ou cobre que pode obter calor de uma fonte de calor por meio da condução e transferir o calor para o fluxo de ar (em alguns casos, para água ou outros líquidos) para obter convecção.

Os dissipadores de calor vêm em milhares de tamanhos e formas, desde pequenas aletas de metal estampadas que conectam um único transistor até grandes extrusões com muitas aletas (dedos) que podem interceptar o fluxo de ar convectivo e transferir calor para ele.

O radiador tem as vantagens de não ter partes móveis, custos operacionais, modos de falha, etc.

Uma vez que o radiador esteja conectado à fonte de calor, conforme o ar quente sobe, a convecção ocorrerá naturalmente, iniciando e continuando a formar um fluxo de ar.

Embora o radiador seja fácil de usar, existem algumas desvantagens:

• O radiador que transmite grande calor é grande, caro e pesado e deve ser colocado corretamente, o que afetará ou limitará o layout físico da placa de circuito;

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• As aletas podem ser bloqueadas por poeira no fluxo de ar, reduzindo a eficiência;

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• Deve ser conectado corretamente à fonte de calor para que o calor possa fluir da fonte de calor para o radiador suavemente.

Tubo de calor

É outro componente importante do pacote de gerenciamento térmico, que pode transferir calor do ponto A ao ponto B sem qualquer forma de mecanismo de força ativa.

Ele contém um núcleo sinterizado e um tubo de metal selado de fluido de trabalho. Ele não atua como um radiador por si só. Sua função é absorver o calor da fonte de calor e transferi-lo para uma área mais fria.

Os tubos de calor podem ser usados ​​quando não há espaço suficiente perto da fonte de calor para colocar o radiador ou quando o fluxo de ar é insuficiente. O tubo de calor tem alta eficiência de trabalho e pode transferir calor da fonte para um local mais conveniente de gerenciar.

Seu princípio de funcionamento é simples e engenhoso:

A fonte de calor converte o fluido de trabalho em vapor no tubo selado e o vapor transfere o calor para a extremidade mais fria do tubo de calor. Nesta extremidade, o vapor condensa em líquido e libera calor, enquanto o fluido retorna para a extremidade mais quente.

Este processo de transformação gás-líquido é executado continuamente e é impulsionado apenas pela diferença de temperatura entre a extremidade fria e a extremidade quente. Conectar um radiador ou outro dispositivo de resfriamento na extremidade fria pode resolver o problema de dissipação de calor de pontos quentes locais onde o fluxo de ar é bloqueado.

Ventilador

É o primeiro passo em direção a um dissipador de calor ativo resfriado a ar forçado, além de radiadores passivos e tubos de calor, mas os ventiladores também têm desvantagens:

alto custo, precisa de espaço, aumentando o ruído do sistema;

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 não suave, geralmente são a única maneira de obter fluxo de ar suficiente.

O parâmetro chave que define a capacidade de um ventilador é o comprimento da unidade ou a taxa de fluxo de volume da unidade de ar por minuto.

No entanto, o tamanho físico é um problema: um grande ventilador com baixa velocidade de rotação pode produzir o mesmo fluxo de ar que um pequeno ventilador com alta velocidade de rotação, portanto, há uma compensação entre tamanho e velocidade.

Modelagem e simulação abrangente

Os sistemas passivos separados são maiores em tamanho, mas mais confiáveis ​​e eficientes, e os ventiladores podem desempenhar um papel em situações em que o resfriamento passivo não pode ser usado sozinho.

Qual sistema escolher para resfriamento costuma ser uma decisão difícil.

Neste momento, é necessário determinar quanto ar de resfriamento é necessário e como obter o resfriamento por meio de modelagem e simulação, o que é essencial para estratégias eficientes de gerenciamento térmico.

Para o modelo em miniatura, a fonte de calor e seu caminho de fluxo de calor são caracterizados por sua resistência térmica, e a resistência térmica é determinada pelo material, qualidade e tamanho usado.

A modelagem mostra como o calor flui da fonte de calor e também é a primeira etapa na avaliação de componentes que causam acidentes térmicos devido à sua própria dissipação de calor.

Por exemplo, fornecedores de dispositivos, como ICs de alta dissipação de calor, MOSFETs e IGBTs, geralmente fornecem modelos térmicos que podem fornecer detalhes do caminho térmico da fonte de calor à superfície do dispositivo.

Uma vez que a carga térmica de cada componente é conhecida, a próxima etapa é modelar em um nível macro, que é simples e complexo:

Ajuste o tamanho do fluxo de ar através de várias fontes de calor para manter sua temperatura abaixo do limite permitido; use a temperatura do ar, o fluxo disponível do fluxo de ar não forçado, o fluxo de ar do ventilador e outros fatores para realizar cálculos básicos para compreender aproximadamente a situação da temperatura.

A próxima etapa é usar o modelo e a localização de cada fonte de calor, placa de circuito impresso, superfície do casco e outros fatores para realizar uma modelagem mais complexa de todo o produto e sua embalagem.

Finalmente, a modelagem deve resolver dois problemas:

O problema da dissipação de pico e média. Por exemplo, um componente de estado estacionário com uma dissipação térmica contínua de 1W e um dispositivo com uma dissipação térmica de 10W, mas com um ciclo de trabalho intermitente de 10%, têm diferentes efeitos térmicos.

Ou seja, a dissipação de calor média é a mesma, e a massa de calor e o fluxo de calor relacionados produzirão distribuições de calor diferentes. A maioria dos aplicativos CFD pode combinar análise estática e dinâmica.

A imperfeição da conexão física entre a superfície do componente e o modelo em miniatura, como a conexão física entre a parte superior do pacote de CI e o dissipador de calor.

Se a conexão tiver uma distância pequena, a resistência térmica deste caminho aumentará, sendo necessário preencher a superfície de contato com uma almofada térmica para aumentar a condutividade térmica do caminho.

O gerenciamento térmico pode reduzir a temperatura dos componentes da fonte de alimentação e do ambiente interno, o que pode prolongar a vida útil do produto e aumentar a confiabilidade.

Mas o gerenciamento térmico é um conceito integrado, se dividido em minúcias, é um assunto enorme.

Envolve as compensações de tamanho, potência, eficiência, peso, confiabilidade e custo. A prioridade e as restrições do projeto devem ser avaliadas.