Solusi manajemen termal utama catu daya

Manajemen termal mematuhi prinsip-prinsip dasar fisika. Ada tiga cara konduksi panas: radiasi, konduksi dan konveksi.

Untuk sebagian besar sistem elektronik, untuk mencapai pendinginan yang diperlukan adalah pertama-tama membiarkan panas meninggalkan sumber panas secara konduksi, dan kemudian mentransfernya ke tempat lain secara konveksi.

Saat melakukan desain termal, perlu untuk menggabungkan berbagai perangkat keras manajemen termal untuk secara efektif mencapai konduksi dan konveksi yang diperlukan.

Ada tiga komponen pendingin yang paling umum digunakan: heat sink, pipa panas, dan kipas.

Heat sink dan heat pipe adalah sistem pendingin pasif tanpa catu daya, sedangkan kipas adalah sistem pendingin udara paksa aktif.

Radiator adalah struktur aluminium atau tembaga yang dapat memperoleh panas dari sumber panas melalui konduksi dan mentransfer panas ke aliran udara (dalam beberapa kasus, ke air atau cairan lain) untuk mencapai konveksi.

Heat sink datang dalam ribuan ukuran dan bentuk, dari sirip logam kecil yang menghubungkan satu transistor hingga ekstrusi besar dengan banyak sirip (jari) yang dapat mencegat aliran udara konvektif dan mentransfer panas ke sana.

Radiator memiliki keunggulan tidak ada bagian yang bergerak, biaya pengoperasian, mode kegagalan, dll.

Setelah radiator terhubung ke sumber panas, saat udara hangat naik, konveksi secara alami akan terjadi, sehingga mulai dan terus membentuk aliran udara.

Meskipun radiator mudah digunakan, ada beberapa kekurangannya:

• Radiator yang mentransmisikan panas besar berukuran besar, mahal, dan berat, dan harus ditempatkan dengan benar, yang akan mempengaruhi atau membatasi tata letak fisik papan sirkuit;

• 
  

• Sirip mungkin terhalang oleh debu di aliran udara, mengurangi efisiensi;

• 
  

• Itu harus terhubung dengan benar ke sumber panas agar panas dapat mengalir dari sumber panas ke radiator dengan lancar.

Pipa panas

Ini adalah komponen penting lainnya dari rangkaian manajemen termal, yang dapat mentransfer panas dari titik A ke titik B tanpa bentuk mekanisme pemaksaan aktif apa pun.

Ini berisi inti sinter dan tabung logam disegel dari fluida kerja. Itu tidak bertindak sebagai radiator dengan sendirinya. Fungsinya untuk menyerap panas dari sumber panas dan memindahkannya ke tempat yang lebih dingin.

Pipa panas dapat digunakan ketika tidak ada cukup ruang di dekat sumber panas untuk menempatkan radiator atau aliran udara tidak mencukupi. Pipa panas memiliki efisiensi kerja yang tinggi dan dapat mentransfer panas dari sumbernya ke tempat yang lebih nyaman untuk dikelola.

Prinsip kerjanya sederhana dan cerdik:

Sumber panas mengubah fluida kerja menjadi uap dalam tabung tertutup, dan uap memindahkan panas ke ujung pipa panas yang lebih dingin. Pada akhir ini, uap mengembun menjadi cairan dan melepaskan panas, sementara cairan kembali ke ujung yang lebih panas.

Proses transformasi gas-cair ini berjalan terus menerus dan hanya didorong oleh perbedaan suhu antara ujung dingin dan ujung panas. Menghubungkan radiator atau perangkat pendingin lainnya di ujung dingin dapat memecahkan masalah pembuangan panas dari titik panas lokal di mana aliran udara terhalang.

Kipas

Ini adalah langkah pertama menuju heat sink aktif berpendingin udara paksa, selain radiator pasif dan pipa panas, tetapi kipas juga memiliki kelemahan:

biaya tinggi, membutuhkan ruang, meningkatkan kebisingan sistem;

Rawan kegagalan, konsumsi energi, dan pengaruhi efisiensi seluruh sistem

Tetapi dalam banyak kasus, terutama ketika jalur aliran udara melengkung, vertikal atau tidak mulus, biasanya mereka adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan aliran udara yang cukup.

Parameter kunci yang menentukan kapasitas kipas adalah satuan panjang atau laju aliran volume satuan udara per menit.

Namun, ukuran fisik menjadi masalah: kipas besar dengan kecepatan putaran rendah dapat menghasilkan aliran udara yang sama dengan kipas kecil dengan kecepatan putaran tinggi, jadi ada keseimbangan antara ukuran dan kecepatan.

Pemodelan dan simulasi komprehensif

Sistem pasif terpisah berukuran lebih besar, tetapi lebih andal dan efisien, dan kipas dapat berperan dalam situasi di mana pendinginan pasif tidak dapat digunakan sendiri.

Sistem mana yang harus dipilih untuk pendinginan seringkali merupakan keputusan yang sulit.

Pada saat ini, perlu untuk menentukan berapa banyak udara pendingin yang dibutuhkan dan bagaimana mencapai pendinginan melalui pemodelan dan simulasi, yang penting untuk strategi manajemen termal yang efisien.

Untuk model miniatur, sumber panas dan jalur aliran panasnya dicirikan oleh ketahanan termalnya, dan resistansi termal ditentukan oleh bahan, kualitas, dan ukuran yang digunakan.

Pemodelan menunjukkan bagaimana panas mengalir dari sumber panas dan juga merupakan langkah pertama dalam mengevaluasi komponen yang menyebabkan kecelakaan termal karena pembuangan panasnya sendiri.

Misalnya, pemasok perangkat seperti IC disipasi panas tinggi, MOSFET, dan IGBT biasanya menyediakan model termal yang dapat memberikan detail jalur termal dari sumber panas ke permukaan perangkat.

Setelah beban termal setiap komponen diketahui, langkah selanjutnya adalah membuat model pada tingkat makro, yang sederhana dan kompleks:

Sesuaikan ukuran aliran udara melalui berbagai sumber panas untuk menjaga suhunya di bawah batas yang diizinkan; gunakan suhu udara, aliran udara paksa yang tersedia, aliran udara kipas, dan faktor lain untuk melakukan perhitungan dasar untuk memahami situasi suhu secara kasar.

Langkah selanjutnya adalah menggunakan model dan lokasi setiap sumber panas, papan PC, permukaan cangkang, dan faktor lainnya untuk melakukan pemodelan yang lebih kompleks dari keseluruhan produk dan kemasannya.

Akhirnya, pemodelan harus memecahkan dua masalah:

Masalah puncak dan disipasi rata-rata. Misalnya, komponen kondisi tunak dengan disipasi termal kontinu 1W dan perangkat dengan disipasi termal 10W tetapi dengan siklus kerja intermiten 10% memiliki efek termal yang berbeda.

Artinya, pembuangan panas rata-rata adalah sama, dan massa panas dan aliran panas yang terkait akan menghasilkan distribusi panas yang berbeda. Sebagian besar aplikasi CFD dapat menggabungkan analisis statis dan dinamis.

Ketidaksempurnaan sambungan fisik antara permukaan komponen dan model miniatur, seperti sambungan fisik antara bagian atas paket IC dan unit pendingin.

Jika sambungan memiliki jarak yang kecil, hambatan termal jalur ini akan meningkat, dan permukaan kontak perlu diisi dengan bantalan termal untuk meningkatkan konduktivitas termal jalur.

Manajemen termal dapat mengurangi suhu komponen di catu daya dan lingkungan internal, yang dapat memperpanjang masa pakai produk dan meningkatkan keandalan.

Tetapi manajemen termal adalah konsep yang terintegrasi, jika dipecah menjadi hal-hal kecil, itu adalah subjek yang sangat besar.

Ini melibatkan pertukaran ukuran, kekuatan, efisiensi, berat, keandalan, dan biaya. Prioritas dan kendala proyek harus dievaluasi.