Principio de diseño térmico de la fuente de alimentación conmutada de alta potencia
1. Por qué los productos electrónicos necesitan una solución térmica
Los chips de los productos electrónicos están altamente integrados, con requisitos cada vez más funcionales y requisitos de volumen cada vez más pequeños. Los componentes de hoy se están desarrollando rápidamente hacia la miniaturización, alta funcionalidad y alta eficiencia. Los componentes de alto rendimiento generarán mucho calor a altas velocidades, y este calor debe eliminarse de inmediato para garantizar que los componentes puedan funcionar a temperaturas de funcionamiento normales. Opera con la máxima eficiencia. Por lo tanto, la tecnología relacionada con la conducción de calor se enfrenta constantemente al desarrollo de la industria electrónica.
2. Tipos de materiales disipadores de calor:
Oro, plata, hierro, cobre, aluminio, aleación de aluminio, lámina de silicona, etc.
3. Principio de disipación de calor
La forma de disipación de calor de un radiador incluye principalmente radiación y convección.
Transferencia de calor por radiación: la energía térmica se transmite en forma de radiación, sin ningún medio, se puede transmitir en un estado de vacío, como la energía térmica del sol se transmite a la tierra a través del universo.
Transferencia de calor por convección: la energía térmica se transmite a través del aire u otros medios, como radiadores de convección para calentar el aire. El aire calienta todo en la habitación, y el movimiento del aire se basa principalmente en el movimiento del aire para difundir la energía térmica.
Los radiadores de radiación en el sentido tradicional se refieren a radiadores que representan una parte relativa de la disipación total de calor. En la actualidad, los radiadores radiantes más típicos son los radiadores de hierro fundido, los radiadores de columna de acero y los radiadores compuestos de cobre y aluminio. Y así sucesivamente, entre ellos, la energía térmica transmitida por radiación solo representa el 30 por ciento, y el otro 70 por ciento de la energía térmica se transmite por convección. El radiador de convección es un radiador básicamente sin intercambio de calor por radiación (o muy pequeño), como el radiador de convección de tubo de cobre frito. Se calienta de forma más cómoda y rápida que un radiador radiante.
B. Los métodos de disipación de calor incluyen disipación de calor por radiación, disipación de calor por conducción, disipación de calor por convección y disipación de calor por evaporación.
El calor generado por varios tejidos y órganos del cuerpo se distribuye uniformemente a todas las partes del cuerpo junto con la circulación sanguínea. Cuando la sangre fluye a través de los vasos sanguíneos de la piel, el 90 por ciento del calor total es disipado por la piel, por lo que la piel es la parte principal del cuerpo para disipar el calor. También hay una pequeña parte del calor, que se disipa del cuerpo a través de los pulmones, los riñones y el tubo digestivo con la respiración, la orina y las heces.
(1) La forma de disipación de calor - principalmente la forma física
1. Radiación Radiación significa que el cuerpo disipa calor emitiendo rayos infrarrojos. Cuando la temperatura de la piel es superior a la temperatura ambiente, el calor del cuerpo se disipa por radiación. La disipación de calor por radiación está relacionada con factores como la temperatura de la piel, la temperatura ambiente y el área de radiación efectiva del cuerpo. En general, la disipación de calor por radiación representa el 40 por ciento de la disipación de calor total. Por supuesto, si la temperatura ambiente es más alta que la temperatura de la piel, el cuerpo absorberá el calor radiante. Los trabajadores del acero trabajan frente a los hornos, al igual que los agricultores que trabajan en los campos bajo el sol en el caluroso verano.
2. Conducción y Convección La conducción es la forma en que el cuerpo disipa el calor mediante la transferencia de energía cinética molecular. Cuando el cuerpo humano está en contacto directo con objetos que están más fríos que la piel (como ropa, camas, sillas, etc.), el calor se transfiere del cuerpo a estos objetos. Clínicamente, el uso de casquetes de hielo, bolsas de hielo y otros métodos para refrescar a los pacientes con fiebre alta utiliza este principio.
C, el intercambio de calor entre el radiador y el medio ambiente
Una vez que el calor se transfiere a la parte superior del radiador, es necesario disipar el calor transmitido al entorno circundante lo antes posible. Para el radiador enfriado por aire, es para intercambiar calor con el aire circundante. En este momento, el calor se transfiere entre dos medios diferentes, y la fórmula seguida es Q= XAX ΔT, donde ΔT es la diferencia de temperatura entre los dos medios, es decir, la diferencia de temperatura entre el radiador y el aire circundante. ; y es la diferencia de temperatura del fluido. La conductividad térmica, después de determinar el material del disipador de calor y la composición del aire, es un valor fijo; la A más importante es el área de contacto entre el disipador de calor y el aire. Bajo la premisa de que otras condiciones permanecen sin cambios, como el volumen del disipador de calor, generalmente habrá Sin embargo, al cambiar la forma del radiador, aumentar el área de contacto con el aire y aumentar el área de intercambio de calor, es un efectivo medios para mejorar la eficiencia de disipación de calor. , Para lograr esto, el área superficial generalmente se aumenta mediante un diseño de aletas complementado con rugosidad superficial o roscas.
Después de que el calor se transfiera al aire, la temperatura del aire en contacto con el disipador de calor aumentará rápidamente. En este momento, el aire caliente debe eliminar el calor tanto como sea posible con el aire frío circundante a través del intercambio de calor, como la convección. Para los radiadores enfriados por aire, el medio más importante es aumentar la velocidad del flujo de aire y usar un ventilador para lograr la convección forzada. Esto está relacionado principalmente con el diseño del ventilador y la velocidad del viento. La eficiencia del ventilador del radiador (como el flujo, la presión del viento) depende principalmente del diámetro de la hoja del ventilador, la longitud axial, la velocidad del ventilador y la forma de la hoja del ventilador. El flujo del ventilador está mayormente en CFM (sistema imperial, pies cúbicos/minuto), y un CFM tiene un flujo de aproximadamente 0.028 mm3/minuto.
Radiador de aluminio puro
El radiador de aluminio puro es el radiador más común en los primeros días. Su proceso de fabricación es simple y el costo es bajo. Hasta ahora, el radiador de aluminio puro todavía ocupa una parte considerable del mercado. Para aumentar el área de disipación de calor de sus aletas, el método de procesamiento más utilizado para los radiadores de aluminio puro es la tecnología de extrusión de aluminio, y los principales indicadores para evaluar un radiador de aluminio puro son el grosor de la base del radiador y la relación Pin-Fin. . Pin se refiere a la altura de las aletas del disipador de calor y Fin se refiere a la distancia entre dos aletas adyacentes. La relación Pin-Fin es la altura del Pin (excluyendo el grosor de la base) dividida por la aleta. Cuanto mayor sea la relación Pin-Fin, mayor será el área efectiva de disipación de calor del radiador y más avanzada será la tecnología de extrusión de aluminio.
Radiador de cobre puro
La conductividad térmica del cobre es 1,69 veces mayor que la del aluminio, por lo que bajo la premisa de que las demás condiciones son las mismas, los disipadores de calor de cobre puro pueden quitar el calor de la fuente de calor más rápido. Sin embargo, la textura del cobre es un problema. Muchos "disipadores de calor de cobre puro" anunciados no son realmente 100 por ciento de cobre. En la lista de cobre, los que tienen un contenido de cobre de más del 99 por ciento se denominan cobre libre de ácido, y el siguiente grado de cobre es el cobre Dan con un contenido de cobre de menos del 85 por ciento. La mayoría de los disipadores de calor de cobre puro en el mercado actualmente tienen un contenido de cobre entre los dos. El contenido de cobre de algunos radiadores inferiores de cobre puro no llega ni al 85 por ciento. Aunque el costo es muy bajo, su conductividad térmica se reduce considerablemente, lo que afecta la disipación de calor. Además, el cobre también tiene deficiencias obvias, como un alto costo, un procesamiento difícil y demasiada masa del disipador de calor, lo que dificulta la aplicación de disipadores de calor totalmente de cobre. La dureza del cobre rojo no es tan buena como la de la aleación de aluminio AL6063, y el rendimiento de algunos procesos mecánicos (como el ranurado) no es tan bueno como el del aluminio; el punto de fusión del cobre es mucho más alto que el del aluminio, lo que no favorece la formación por extrusión (extrusión), etc.
Aunque los materiales disipadores de calor más utilizados son las aleaciones de cobre y aluminio, las aleaciones de aluminio son fáciles de procesar y de bajo costo, y son los materiales más utilizados. La mayor conductividad térmica del cobre hace que su capacidad de absorción de calor instantáneo sea mejor que la de las aleaciones de aluminio. La velocidad es más lenta que la de la aleación de aluminio. Por lo tanto, no importa el cobre puro, el aluminio puro o el radiador de aleación de aluminio, hay una falla fatal: debido a que solo se usa un material, aunque la capacidad básica de disipación de calor puede satisfacer las necesidades de disipación de calor leve, no puede equilibrar bien la conducción de calor . Los dos requisitos de capacidad y capacidad calorífica se ven algo abrumados en ocasiones con requisitos de disipación de calor elevados.
Tecnología de unión cobre-aluminio
Después de considerar las deficiencias respectivas del cobre y el aluminio, algunos radiadores de alta gama en el mercado a menudo utilizan procesos de fabricación combinados de cobre y aluminio. Estos disipadores de calor suelen utilizar bases metálicas de cobre, mientras que las aletas del disipador de calor están fabricadas en aleación de aluminio. Por supuesto, además de la base de cobre, también existen métodos como el uso de pilares de cobre para el disipador de calor, que también es el mismo principio. Con alta conductividad térmica, la superficie inferior de cobre puede absorber rápidamente el calor liberado por la CPU; las aletas de aluminio se pueden hacer en la forma más favorable para la disipación de calor por medio de procesos complejos y proporcionan un gran espacio de almacenamiento de calor y lo liberan rápidamente. Se ha encontrado un equilibrio en todos los aspectos.
El calor se disipa desde el núcleo de la CPU a la superficie del disipador de calor, que es un proceso de conducción de calor. Para la base del disipador de calor, dado que está en contacto directo con una pequeña área de fuente de calor intenso, se requiere que la base pueda disipar rápidamente el calor. El uso de materiales con mayor conductividad térmica para el disipador de calor es muy útil para mejorar la conductividad térmica. En la tabla de comparación del sistema de conducción de calor se puede ver que, por ejemplo, la conductividad térmica del aluminio es de 237 W/mK y la conductividad térmica del cobre es de 401 W/mK. Comparando radiadores del mismo volumen, el peso del cobre es 3 veces mayor que el del aluminio, mientras que el calor específico del aluminio es 3 veces mayor. Es solo 2,3 veces mayor que el cobre, por lo que con el mismo volumen, un radiador de cobre puede contener más calor que un radiador de aluminio y calentarse más lentamente. Con el mismo grosor de la base del disipador de calor, el cobre no solo puede eliminar rápidamente la temperatura de las fuentes de calor como la CPU Die, sino que también su propio aumento de temperatura es más lento que el de los disipadores de calor de aluminio. Por lo tanto, el cobre es más adecuado para fabricar la superficie inferior del disipador de calor.
Sin embargo, la combinación de estos dos metales es relativamente difícil y la afinidad entre el cobre y el aluminio es pobre. resistencia termica). En el diseño y la fabricación reales, los fabricantes siempre intentan reducir la resistencia térmica de la interfaz tanto como sea posible y evitar las debilidades, lo que a menudo refleja las capacidades de diseño y los procesos de fabricación del fabricante.
4. Medio térmico: gel de sílice termoconductor.
a. ¿Qué es la resistencia térmica?
La llamada "resistencia térmica" (resistencia térmica) se refiere a un parámetro integral que refleja la capacidad de prevenir la transferencia de calor. El concepto de resistencia térmica es muy similar al de resistencia, y la unidad también es similar: grado/W, es decir, la diferencia de temperatura entre los dos extremos del camino de conducción de calor cuando la potencia de transferencia de calor continua del objeto es 1W .
b. La resistencia térmica del aire es la más grande de la naturaleza y su valor está cerca de 0.03W/mK;
C. Rellene el espacio entre el cuerpo de calefacción y el disipador de calor de metal para reducir el aire, de modo que el cuerpo de calefacción y el disipador de calor muestren una disipación de calor por convección directa.
d. La lámina de silicona termoconductora también puede disipar el calor de forma indirecta, es decir, queda expuesta al exterior, por lo que se denomina disipador de calor.
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