حلول الإدارة الحرارية الرئيسية لإمدادات الطاقة
تخضع الإدارة الحرارية للمبادئ الأساسية للفيزياء. هناك ثلاث طرق للتوصيل الحراري: الإشعاع والتوصيل والحمل الحراري.
بالنسبة لمعظم الأنظمة الإلكترونية ، لتحقيق التبريد المطلوب ، يجب أولاً ترك الحرارة تغادر مصدر الحرارة عن طريق التوصيل ، ثم نقلها إلى أماكن أخرى عن طريق الحمل الحراري.
عند تنفيذ التصميم الحراري ، من الضروري الجمع بين أجهزة الإدارة الحرارية المختلفة لتحقيق التوصيل والحمل الحراري المطلوبين بشكل فعال.
هناك ثلاثة مكونات تبريد شائعة الاستخدام: أحواض الحرارة وأنابيب الحرارة والمراوح.
إن المشتت الحراري وأنبوب الحرارة عبارة عن أنظمة تبريد سلبية بدون مصدر طاقة ، بينما المروحة عبارة عن نظام تبريد هواء قسري نشط.
المبرد عبارة عن هيكل من الألومنيوم أو النحاس يمكنه الحصول على الحرارة من مصدر الحرارة من خلال التوصيل ونقل الحرارة إلى تدفق الهواء (في بعض الحالات ، إلى الماء أو سوائل أخرى) لتحقيق الحمل الحراري.
تأتي أحواض الحرارة بآلاف الأحجام والأشكال ، بدءًا من الزعانف المعدنية المختومة الصغيرة التي تربط ترانزستورًا واحدًا إلى البثق الكبير مع العديد من الزعانف (الأصابع) التي يمكنها اعتراض تدفق الهواء بالحمل ونقل الحرارة إليه.
يتميز الرادياتير بعدم وجود أجزاء متحركة ، وتكاليف التشغيل ، وأنماط الفشل ، وما إلى ذلك.
بمجرد توصيل المبرد بمصدر الحرارة ، مع ارتفاع الهواء الدافئ ، يحدث الحمل الحراري بشكل طبيعي ، وبالتالي يبدأ ويستمر في تكوين تدفق الهواء.
بالرغم من سهولة استخدام المبرد ، إلا أن هناك بعض العيوب:
المبرد الذي ينقل حرارة كبيرة كبير ومكلف وثقيل ، ويجب وضعه بشكل صحيح ، مما سيؤثر أو يحد من التخطيط المادي للوحة الدائرة ؛
قد يتم حظر الزعانف بسبب الغبار في تدفق الهواء ، مما يقلل من الكفاءة ؛
يجب توصيله بشكل صحيح بمصدر الحرارة بحيث يمكن للحرارة أن تتدفق من مصدر الحرارة إلى المبرد بسلاسة.
أنبوب الحرارة
إنه مكون مهم آخر من مجموعة الإدارة الحرارية ، والذي يمكنه نقل الحرارة من النقطة A إلى النقطة B بدون أي شكل من أشكال آلية التأثير النشطة.
يحتوي على قلب متكلس وأنبوب معدني محكم الغلق لسائل العمل. لا يعمل كمبرد في حد ذاته. وتتمثل وظيفتها في امتصاص الحرارة من مصدر الحرارة ونقلها إلى منطقة أكثر برودة.
يمكن استخدام أنابيب الحرارة عندما لا توجد مساحة كافية بالقرب من مصدر الحرارة لوضع المبرد أو عندما يكون تدفق الهواء غير كافٍ. يتميز أنبوب الحرارة بكفاءة عمل عالية ويمكنه نقل الحرارة من المصدر إلى مكان أكثر ملاءمة للإدارة.
مبدأ عملها بسيط ومبتكر:
يحول مصدر الحرارة سائل العمل إلى بخار في الأنبوب المحكم ، وينقل البخار الحرارة إلى الطرف الأكثر برودة لأنبوب الحرارة. في هذه النهاية ، يتكثف البخار في سائل ويطلق الحرارة ، بينما يعود السائل إلى الطرف الأكثر سخونة.
تعمل عملية تحويل الغاز إلى السائل بشكل مستمر ولا يتم دفعها إلا من خلال اختلاف درجة الحرارة بين الطرف البارد والنهاية الساخنة. يمكن أن يؤدي توصيل المبرد أو أي جهاز تبريد آخر في الطرف البارد إلى حل مشكلة تبديد الحرارة للنقاط الساخنة المحلية حيث يتم حظر تدفق الهواء.
المعجب
إنها الخطوة الأولى نحو المشتت الحراري النشط المبرد بالهواء القسري ، بصرف النظر عن المشعات السلبية وأنابيب الحرارة ، ولكن المراوح لها أيضًا عيوب:
تكلفة عالية ، تحتاج إلى مساحة ، مما يزيد من ضوضاء النظام ؛
عرضة للفشل ، وتستهلك الطاقة وتؤثر على كفاءة النظام بأكمله
ولكن في كثير من الحالات ، خاصةً عندما يكون مسار تدفق الهواء منحنيًا أو رأسيًا أو غير سلس ، فعادة ما تكون الطريقة الوحيدة للحصول على تدفق هواء كافٍ.
المعلمة الرئيسية التي تحدد سعة المروحة هي طول الوحدة أو معدل تدفق حجم الوحدة للهواء في الدقيقة.
ومع ذلك ، فإن الحجم المادي يمثل مشكلة: يمكن أن تنتج مروحة كبيرة ذات سرعة دوران منخفضة نفس تدفق الهواء مثل مروحة صغيرة ذات سرعة دوران عالية ، لذلك هناك مفاضلة بين الحجم والسرعة.
النمذجة والمحاكاة الشاملة
الأنظمة المنفصلة المنفصلة أكبر حجمًا ، لكنها أكثر موثوقية وفعالية ، ويمكن للمراوح أن تلعب دورًا في المواقف التي لا يمكن فيها استخدام التبريد السلبي بمفرده.
غالبًا ما يكون اختيار أي نظام للتبريد قرارًا صعبًا.
في هذا الوقت ، من الضروري تحديد مقدار هواء التبريد المطلوب وكيفية تحقيق التبريد من خلال النمذجة والمحاكاة ، وهو أمر ضروري لاستراتيجيات الإدارة الحرارية الفعالة.
بالنسبة للنموذج المصغر ، يتميز مصدر الحرارة ومسار التدفق الحراري بمقاومتهما الحرارية ، ويتم تحديد المقاومة الحرارية حسب المادة والجودة والحجم المستخدم.
تُظهر النمذجة كيف تتدفق الحرارة من مصدر الحرارة وهي أيضًا الخطوة الأولى في تقييم المكونات التي تسبب حوادث حرارية بسبب تبديد الحرارة الخاصة بها.
على سبيل المثال ، عادةً ما يوفر موردو الأجهزة مثل الدوائر المتكاملة لتبديد الحرارة العالية و MOSFETs و IGBT نماذج حرارية يمكن أن توفر تفاصيل المسار الحراري من مصدر الحرارة إلى سطح الجهاز.
بمجرد معرفة الحمل الحراري لكل مكون ، فإن الخطوة التالية هي التصميم على المستوى الكلي ، وهو أمر بسيط ومعقد:
ضبط حجم تدفق الهواء عبر مصادر الحرارة المختلفة للحفاظ على درجة حرارته أقل من الحد المسموح به ؛ استخدام درجة حرارة الهواء والتدفق المتاح للهواء غير القسري وتدفق هواء المروحة وعوامل أخرى لإجراء الحسابات الأساسية لفهم حالة درجة الحرارة تقريبًا.
تتمثل الخطوة التالية في استخدام نموذج وموقع كل مصدر حرارة ولوحة كمبيوتر شخصي وسطح غلاف وعوامل أخرى لإجراء نمذجة أكثر تعقيدًا للمنتج بأكمله وتعبئته.
أخيرًا ، يجب أن تحل النمذجة مشكلتين:
مشكلة الذروة ومتوسط التبديد. على سبيل المثال ، يكون لمكون الحالة المستقرة مع تبديد حراري مستمر بمقدار 1 وات وجهاز به تبديد حراري 10 وات ولكن مع دورة عمل متقطعة بنسبة 10٪ تأثيرات حرارية مختلفة.
وهذا يعني أن متوسط تبديد الحرارة هو نفسه ، وسوف ينتج عن الكتلة الحرارية ذات الصلة وتدفق الحرارة توزيعات حرارة مختلفة. يمكن أن تجمع معظم تطبيقات CFD بين التحليل الساكن والديناميكي.
عيب الاتصال المادي بين سطح المكون والنموذج المصغر ، مثل الاتصال المادي بين الجزء العلوي من حزمة IC والمشتت الحراري.
إذا كان الاتصال على مسافة صغيرة ، فستزداد المقاومة الحرارية لهذا المسار ، ومن الضروري ملء سطح التلامس بوسادة حرارية لتعزيز التوصيل الحراري للمسار.
يمكن أن تقلل الإدارة الحرارية درجة حرارة المكونات في مصدر الطاقة والبيئة الداخلية ، مما يمكن أن يطيل عمر المنتج ويحسن الموثوقية.
لكن الإدارة الحرارية هي مفهوم متكامل ، إذا تم تقسيمها إلى التفاصيل الدقيقة ، فهي موضوع ضخم.
يتضمن مقايضات الحجم والطاقة والكفاءة والوزن والموثوقية والتكلفة. يجب تقييم أولويات وقيود المشروع.
