Princípio de design térmico da fonte de alimentação de comutação de alta potência

1. Por que os produtos eletrônicos precisam de solução térmica

Os chips de produtos eletrônicos são altamente integrados, com requisitos cada vez mais funcionais e requisitos de volume cada vez menores. Os componentes de hoje estão se desenvolvendo rapidamente em direção à miniaturização, alta funcionalidade e alta eficiência. Os componentes de alto desempenho geram muito calor em altas velocidades e esse calor deve ser removido imediatamente para garantir que os componentes possam operar em temperaturas operacionais normais. Opere com a mais alta eficiência. Portanto, a tecnologia relacionada de condução de calor é constantemente desafiada com o desenvolvimento da indústria eletrônica.

2. Tipos de materiais do dissipador de calor:

Ouro, prata, ferro, cobre, alumínio, liga de alumínio, folha de silicone, etc.

3. Princípio da dissipação de calor

A forma de dissipação de calor de um radiador inclui principalmente radiação e convecção.

Transferência de calor por radiação: a energia térmica é transmitida na forma de radiação, sem qualquer meio, pode ser transmitida no estado de vácuo, como a energia térmica do sol é transmitida para a terra através do universo.

Transferência de calor por convecção: a energia térmica é transmitida através do ar ou de outros meios, como radiadores de convecção para aquecer o ar. O ar aquece tudo na sala, e o movimento do ar depende principalmente do movimento do ar para espalhar a energia térmica.

Os radiadores de radiação no sentido tradicional referem-se a radiadores que respondem por uma parcela relativa da dissipação total de calor. Atualmente, os radiadores radiantes mais comuns são de ferro fundido, radiadores de coluna de aço e radiadores compostos de cobre-alumínio. E assim por diante, entre eles, a energia térmica transmitida por radiação representa apenas 30%, e os outros 70% são transmitidos por convecção. O radiador de convecção é um radiador com basicamente nenhuma troca de calor por radiação (ou muito pequena), como o radiador de convecção de tubo de cobre frito. Aquece mais confortavelmente e mais rápido do que um radiador radiante.

B. Os métodos de dissipação de calor incluem dissipação de calor por radiação, dissipação de calor por condução, dissipação de calor por convecção e dissipação de calor por evaporação.

O calor gerado por vários tecidos e órgãos do corpo é distribuído uniformemente para todas as partes do corpo junto com a circulação sanguínea. Quando o sangue flui através dos vasos sanguíneos da pele, 90 por cento do calor total é dissipado pela pele, de modo que a pele é a principal parte do corpo para dissipar o calor. Existe também uma pequena parte do calor, que é dissipado do corpo através dos pulmões, rins e aparelho digestivo com a respiração, urina e fezes.

(1) A forma de dissipação de calor - principalmente a forma física

1. Radiação Radiação significa que o corpo dissipa o calor emitindo raios infravermelhos. Quando a temperatura da pele é superior à temperatura ambiente, o calor do corpo é dissipado por radiação. A dissipação de calor por radiação está relacionada a fatores como temperatura da pele, temperatura ambiente e área efetiva de radiação do corpo. Em geral, a dissipação de calor por radiação é responsável por 40% da dissipação de calor total. Obviamente, se a temperatura ambiente for maior que a temperatura da pele, o corpo absorverá o calor radiante. Os metalúrgicos trabalham em frente aos fornos, assim como os agricultores que trabalham nos campos sob o sol no verão quente.

2. Condução e Convecção A condução é a forma como o corpo dissipa o calor transferindo energia cinética molecular. Quando o corpo humano está em contato direto com objetos mais frios que a pele (como roupas, camas, cadeiras, etc.), o calor é transferido do corpo para esses objetos. Clinicamente, o uso de calotas de gelo, compressas de gelo e outros métodos para resfriar pacientes com febre alta usa esse princípio.

C, a troca de calor entre o radiador e o ambiente

Depois que o calor é transferido para o topo do radiador, é necessário dissipar o calor transmitido para o ambiente ao redor o mais rápido possível. Para o radiador refrigerado a ar, é para trocar calor com o ar circundante. Neste momento, o calor é transferido entre dois meios diferentes, e a fórmula seguida é Q= XAX ΔT, onde ΔT é a diferença de temperatura entre os dois meios, ou seja, a diferença de temperatura entre o radiador e o ar circundante ; e é a diferença de temperatura do fluido. Condutividade térmica, depois que o material do dissipador de calor e a composição do ar são determinados, é um valor fixo; o A mais importante é a área de contato entre o dissipador de calor e o ar. Sob a premissa de que outras condições permanecem inalteradas, como o volume do dissipador de calor, geralmente haverá No entanto, alterando a forma do radiador, aumentando a área de contato com o ar e aumentando a área de troca de calor, é uma medida eficaz meios para melhorar a eficiência da dissipação de calor. , Para conseguir isso, a área de superfície geralmente é aumentada por meio de design de aleta complementado por rugosidade de superfície ou roscas.

Depois que o calor é transferido para o ar, a temperatura do ar em contato com o dissipador de calor aumentará rapidamente. Neste momento, o ar quente deve retirar o calor tanto quanto possível com o ar frio circundante através da troca de calor, como a convecção. Para radiadores refrigerados a ar, o meio mais importante é aumentar a velocidade do fluxo de ar e usar um ventilador para obter convecção forçada. Isso está relacionado principalmente ao design do ventilador e à velocidade do vento. A eficiência do ventilador do radiador (como fluxo, pressão do vento) depende principalmente do diâmetro da pá do ventilador, do comprimento axial, da velocidade do ventilador e do formato da pá do ventilador. O fluxo do ventilador é principalmente em CFM (sistema imperial, pés cúbicos/minuto), e um CFM é cerca de 0.028mm3/minuto de fluxo.

Radiador de alumínio puro

O radiador de alumínio puro é o radiador mais comum nos primeiros dias. Seu processo de fabricação é simples e o custo é baixo. Até agora, o radiador de alumínio puro ainda ocupa uma parte considerável do mercado. A fim de aumentar a área de dissipação de calor de suas aletas, o método de processamento mais comumente usado para radiadores de alumínio puro é a tecnologia de extrusão de alumínio, e os principais indicadores para avaliar um radiador de alumínio puro são a espessura da base do radiador e a relação Pin-Fin . Pin refere-se à altura das aletas do dissipador de calor e Fin refere-se à distância entre duas aletas adjacentes. A relação Pin-Fin é a altura do Pin (excluindo a espessura da base) dividida pela Fin. Quanto maior a relação Pin-Fin, maior a área efetiva de dissipação de calor do radiador e mais avançada a tecnologia de extrusão de alumínio.

Radiador de cobre puro

A condutividade térmica do cobre é 1,69 vezes a do alumínio, portanto, sob a premissa de outras condições serem as mesmas, os dissipadores de calor de cobre puro podem retirar o calor da fonte de calor mais rapidamente. No entanto, a textura do cobre é um problema. Muitos "dissipadores de calor de cobre puro" anunciados não são realmente 100% de cobre. Na lista de cobre, aqueles com um teor de cobre superior a 99% são chamados de cobre sem ácido, e o próximo grau de cobre é o cobre Dan com um teor de cobre inferior a 85%. A maioria dos dissipadores de calor de cobre puro no mercado atualmente tem um teor de cobre entre os dois. O teor de cobre de alguns radiadores de cobre puro inferior não chega nem a 85 por cento. Embora o custo seja muito baixo, sua condutividade térmica é bastante reduzida, o que afeta a dissipação de calor. Além disso, o cobre também apresenta deficiências óbvias, como alto custo, processamento difícil e muita massa do dissipador de calor, o que dificulta a aplicação de dissipadores de calor totalmente em cobre. A dureza do cobre vermelho não é tão boa quanto a da liga de alumínio AL6063, e o desempenho de alguns processamentos mecânicos (como ranhuras) não é tão bom quanto o do alumínio; o ponto de fusão do cobre é muito maior do que o do alumínio, o que não é propício à formação de extrusão (ExtrusiON) e assim por diante.

Embora os materiais de dissipação de calor mais comumente usados ​​sejam ligas de cobre e alumínio, as ligas de alumínio são fáceis de processar e de baixo custo, e são os materiais mais amplamente utilizados. A maior condutividade térmica do cobre torna sua capacidade de absorção instantânea de calor melhor do que a das ligas de alumínio. A velocidade é mais lenta do que a da liga de alumínio. Portanto, não importa o radiador de cobre puro, alumínio puro ou liga de alumínio, há uma falha fatal: porque apenas um material é usado, embora a capacidade básica de dissipação de calor possa atender às necessidades de dissipação de calor suave, não pode equilibrar bem a condução de calor . Os dois requisitos de capacidade e capacidade de calor são um tanto sobrecarregados em ocasiões com altos requisitos de dissipação de calor.

Tecnologia de ligação cobre-alumínio

Depois de considerar as respectivas deficiências de cobre e alumínio, alguns radiadores de última geração no mercado costumam usar processos de fabricação de combinação de cobre-alumínio. Esses dissipadores de calor geralmente usam bases metálicas de cobre, enquanto as aletas do dissipador de calor são feitas de liga de alumínio. Claro, além da base de cobre, também existem métodos como o uso de pilares de cobre para o dissipador de calor, que também é o mesmo princípio. Com alta condutividade térmica, a superfície inferior de cobre pode absorver rapidamente o calor liberado pela CPU; as aletas de alumínio podem ser feitas na forma mais favorável para dissipação de calor por meio de processos complexos e fornecem um grande espaço de armazenamento de calor e liberam-no rapidamente. Um equilíbrio foi encontrado em todos os aspectos.

O calor é dissipado do núcleo da CPU para a superfície do dissipador de calor, que é um processo de condução de calor. Para a base do dissipador de calor, por estar em contato direto com uma pequena área de alta fonte de calor, é necessário que a base possa conduzir o calor rapidamente. A utilização de materiais com maior condutividade térmica para o dissipador de calor é muito útil para melhorar a condutividade térmica. Pode ser visto na tabela de comparação do sistema de condução de calor que, por exemplo, a condutividade térmica do alumínio é 237W/mK e a condutividade térmica do cobre é 401W/mK. Comparando radiadores de mesmo volume, o peso do cobre é 3 vezes maior que o do alumínio, enquanto o calor específico do alumínio é 3 vezes maior. É apenas 2,3 vezes maior do que o cobre, portanto, sob o mesmo volume, um radiador de cobre pode reter mais calor do que um radiador de alumínio e aquecer mais lentamente. Com a mesma espessura da base do dissipador de calor, o cobre pode não apenas remover rapidamente a temperatura de fontes de calor como CPU Die, mas também seu próprio aumento de temperatura é mais lento que o dos dissipadores de calor de alumínio. Portanto, o cobre é mais adequado para fazer a superfície inferior do dissipador de calor.

No entanto, a combinação desses dois metais é relativamente difícil e a afinidade entre o cobre e o alumínio é fraca. resistência térmica). No design e na fabricação reais, os fabricantes sempre tentam reduzir a resistência térmica da interface o máximo possível e evitar pontos fracos, o que geralmente reflete as capacidades de design e os processos de fabricação do fabricante.

4. Meio térmico - sílica gel termicamente condutora.

a. O que é resistência térmica?

A chamada "resistência térmica" (resistência térmica) refere-se a um parâmetro abrangente que reflete a capacidade de impedir a transferência de calor. O conceito de resistência térmica é muito semelhante ao de resistência, e a unidade também é semelhante - grau /W, ou seja, a diferença de temperatura entre as duas extremidades do caminho de condução de calor quando a potência contínua de transferência de calor do objeto é 1W .

b. A resistência térmica do ar é a maior da natureza, e seu valor é próximo a 0.03W/mK;

c. Preencha a lacuna entre o corpo de aquecimento e o dissipador de calor de metal para reduzir o ar, de modo que o corpo de aquecimento e o dissipador de calor mostrem a dissipação de calor por convecção direta.

d. A folha de silicone termicamente condutora também pode dissipar o calor indiretamente, ou seja, fica exposta do lado de fora, por isso é chamada de dissipador de calor.

Sinda Thermal é um fabricante líder de dissipadores de calor, possuímos uma equipe de especialistas térmicos e muitas instalações e equipamentos precisos, podemos obter a cotação mais competitiva e dissipadores de calor de ótima qualidade. Entre em contato conosco livremente se tiver quaisquer requisitos térmicos.