Las principales soluciones de gestión térmica de la fuente de alimentación.
La gestión térmica obedece a los principios básicos de la física. Hay tres formas de conducción de calor: radiación, conducción y convección.
Para la mayoría de los sistemas electrónicos, lograr el enfriamiento requerido es primero dejar que el calor salga de la fuente de calor por conducción y luego transferirlo a otros lugares por convección.
Al realizar el diseño térmico, es necesario combinar varios hardware de gestión térmica para lograr de manera efectiva la conducción y convección requeridas.
Hay tres componentes de refrigeración más utilizados: disipadores de calor, tubos de calor y ventiladores.
El disipador de calor y la tubería de calor son sistemas de enfriamiento pasivo sin fuente de alimentación, mientras que el ventilador es un sistema de enfriamiento de aire forzado activo.
El radiador es una estructura de aluminio o cobre que puede obtener calor de una fuente de calor por conducción y transferir el calor al flujo de aire (en algunos casos, al agua u otros líquidos) para lograr la convección.
Los disipadores de calor vienen en miles de tamaños y formas, desde pequeñas aletas de metal estampadas que conectan un solo transistor hasta grandes extrusiones con muchas aletas (dedos) que pueden interceptar el flujo de aire convectivo y transferirle calor.
El radiador tiene las ventajas de no tener partes móviles, costos operativos, modos de falla, etc.
Una vez que el radiador está conectado a la fuente de calor, a medida que sube el aire caliente, la convección se producirá naturalmente, comenzando y continuando formando un flujo de aire.
Aunque el radiador es fácil de usar, tiene algunos inconvenientes:
El radiador que transmite mucho calor es grande, costoso y pesado, y debe colocarse correctamente, lo que afectará o limitará el diseño físico de la placa de circuito;
Las aletas pueden quedar bloqueadas por el polvo en el flujo de aire, lo que reduce la eficiencia;
Debe estar correctamente conectado a la fuente de calor para que el calor pueda fluir desde la fuente de calor al radiador sin problemas.
Tubo de calor
Es otro componente importante de la suite de gestión térmica, que puede transferir calor del punto A al punto B sin ningún tipo de mecanismo de fuerza activo.
Contiene un núcleo sinterizado y un tubo metálico sellado de fluido de trabajo. No actúa como radiador por sí solo. Su función es absorber el calor de la fuente de calor y transferirlo a una zona más fría.
Los tubos de calor se pueden utilizar cuando no hay suficiente espacio cerca de la fuente de calor para colocar el radiador o el flujo de aire es insuficiente. El tubo de calor tiene una alta eficiencia de trabajo y puede transferir calor desde la fuente a un lugar más conveniente de administrar.
Su principio de funcionamiento es simple e ingenioso:
La fuente de calor convierte el fluido de trabajo en vapor en el tubo sellado y el vapor transfiere el calor al extremo más frío del tubo de calor. En este extremo, el vapor se condensa en líquido y libera calor, mientras que el fluido regresa al extremo más caliente.
Este proceso de transformación gas-líquido se ejecuta de forma continua y solo es impulsado por la diferencia de temperatura entre el extremo frío y el extremo caliente. La conexión de un radiador u otro dispositivo de enfriamiento en el extremo frío puede resolver el problema de disipación de calor de los puntos calientes locales donde el flujo de aire está bloqueado.
Admirador
Es el primer paso hacia un disipador de calor activo refrigerado por aire forzado, además de los radiadores pasivos y las tuberías de calor, pero los ventiladores también tienen desventajas:
alto costo, necesita espacio, aumentando el ruido del sistema;
Propenso a fallar, consume energía y afecta la eficiencia de todo el sistema.
Pero en muchos casos, especialmente cuando la trayectoria del flujo de aire es curva, vertical o no uniforme, suelen ser la única forma de obtener suficiente flujo de aire.
El parámetro clave que define la capacidad de un ventilador es la unidad de longitud o la unidad de caudal volumétrico de aire por minuto.
Sin embargo, el tamaño físico es un problema: un ventilador grande con una velocidad de rotación baja puede producir el mismo flujo de aire que un ventilador pequeño con una velocidad de rotación alta, por lo que existe una compensación entre tamaño y velocidad.
Modelado y simulación integral
Los sistemas pasivos separados son de mayor tamaño, pero más confiables y eficientes, y los ventiladores pueden desempeñar un papel en situaciones en las que el enfriamiento pasivo no se puede usar solo.
Qué sistema elegir para enfriar es a menudo una decisión difícil.
En este momento, es necesario determinar cuánto aire de enfriamiento se necesita y cómo lograr el enfriamiento a través del modelado y la simulación, lo cual es esencial para estrategias de gestión térmica eficientes.
Para el modelo en miniatura, la fuente de calor y su trayectoria de flujo de calor se caracterizan por su resistencia térmica, y la resistencia térmica está determinada por el material, la calidad y el tamaño utilizado.
El modelado muestra cómo fluye el calor desde la fuente de calor y también es el primer paso para evaluar los componentes que causan accidentes térmicos debido a su propia disipación de calor.
Por ejemplo, los proveedores de dispositivos, como los circuitos integrados de alta disipación de calor, los MOSFET y los IGBT, suelen proporcionar modelos térmicos que pueden proporcionar detalles de la ruta térmica desde la fuente de calor hasta la superficie del dispositivo.
Una vez que se conoce la carga térmica de cada componente, el siguiente paso es modelar a un nivel macro, que es a la vez simple y complejo:
Ajuste el tamaño del flujo de aire a través de varias fuentes de calor para mantener su temperatura por debajo del límite permitido; Utilice la temperatura del aire, el flujo de aire no forzado, el flujo de aire del ventilador y otros factores para realizar cálculos básicos para comprender aproximadamente la situación de la temperatura.
El siguiente paso es utilizar el modelo y la ubicación de cada fuente de calor, placa de circuito impreso, superficie de la carcasa y otros factores para realizar un modelado más complejo de todo el producto y su embalaje.
Finalmente, el modelado tiene que resolver dos problemas:
El problema de la disipación máxima y media. Por ejemplo, un componente de estado estacionario con una disipación térmica continua de 1W y un dispositivo con una disipación térmica de 10W pero con un ciclo de trabajo intermitente del 10% tienen diferentes efectos térmicos.
Es decir, la disipación de calor promedio es la misma, y la masa de calor y el flujo de calor relacionados producirán distribuciones de calor diferentes. La mayoría de las aplicaciones de CFD pueden combinar análisis estático y dinámico.
La imperfección de la conexión física entre la superficie del componente y el modelo en miniatura, como la conexión física entre la parte superior del paquete de CI y el disipador de calor.
Si la conexión tiene una distancia pequeña, la resistencia térmica de este camino aumentará y es necesario llenar la superficie de contacto con una almohadilla térmica para mejorar la conductividad térmica del camino.
La gestión térmica puede reducir la temperatura de los componentes en la fuente de alimentación y el entorno interno, lo que puede prolongar la vida útil del producto y mejorar la confiabilidad.
Pero la gestión térmica es un concepto integrado, si se divide en minucias, es un tema enorme.
Implica las compensaciones de tamaño, potencia, eficiencia, peso, confiabilidad y costo. Se deben evaluar la prioridad y las limitaciones del proyecto.
