La fuente de alimentación genera calor durante el funcionamiento, y el aumento continuo de la temperatura provocará cambios en el rendimiento, lo que eventualmente puede provocar fallas en el sistema; además, el calor también acortará la vida útil de los componentes y afectará la confiabilidad a largo plazo.
Un componente generador de calor, incluso si el aumento de temperatura supera su límite permitido, hace que todo el sistema se caliente, no significa necesariamente que todo el sistema esté sobrecalentado, pero el exceso de calor generado por el componente debe disiparse.
Entonces, ¿a dónde va el calor?
Disipar a un lugar más fresco, ya sea junto al sistema y la caja, o fuera de la caja (solo es posible si el exterior está más frío que el interior).
Soluciones de gestión térmica
La gestión térmica sigue los principios básicos de la física y existen tres formas de conducir el calor: radiación, conducción y convección.
Para la mayoría de los sistemas electrónicos, el enfriamiento requerido se logra alejando el calor de la fuente de calor y luego transfiriéndolo a otra parte por convección.
El diseño térmico requiere una combinación de varios hardware de gestión térmica para lograr de manera eficiente la conducción y convección requeridas.
Hay tres elementos de refrigeración más utilizados: disipadores de calor, tubos de calor y ventiladores.
Los disipadores de calor y las tuberías de calor son sistemas de enfriamiento pasivos que no requieren una fuente de alimentación, mientras que los ventiladores son un sistema de enfriamiento de aire forzado activo.
disipador de calor
Un disipador de calor es una estructura de aluminio o cobre que captura el calor de una fuente de calor por conducción y lo transfiere a un flujo de aire (en algunos casos, agua u otros líquidos) para la convección.
Varios tipos de radiadores.
Los disipadores de calor vienen en miles de tamaños y formas, desde pequeñas aletas de metal estampadas que conectan transistores individuales hasta grandes extrusiones con muchas aletas (dedos) que interceptan el flujo de aire convectivo y transfieren calor a ese flujo de aire.
Los disipadores de calor tienen la ventaja de no tener partes móviles, costos de funcionamiento, modos de falla y más.
Una vez que el disipador de calor está conectado a la fuente de calor, la convección se produce de forma natural a medida que sube el aire caliente, que comienza y continúa creando un flujo de aire.
Aunque los disipadores de calor son fáciles de usar, existen algunos inconvenientes:
1. Los disipadores de calor que transmiten grandes cantidades de calor son voluminosos, costosos y pesados, y deben colocarse correctamente, lo que afectará o limitará el diseño físico de la placa de circuito;
2. Las aletas pueden estar bloqueadas por el polvo en el flujo de aire, lo que reduce la eficiencia;
3. Debe estar correctamente conectado a la fuente de calor para que el calor pueda fluir sin problemas desde la fuente de calor al radiador.
Tubo de calor
Es otro componente importante del kit de gestión térmica, ya que transfiere calor del punto A al punto B sin ningún tipo de mecanismo de fuerza activo.
Contiene un núcleo sinterizado y un tubo de metal sellado de fluido de trabajo que no actúa como un disipador de calor en sí mismo, sino que absorbe el calor de una fuente de calor y lo transfiere a un área más fría.
Los tubos de calor se pueden usar cuando no hay suficiente espacio para un disipador de calor cerca de la fuente de calor o cuando no hay suficiente flujo de aire.
Las tuberías de calor funcionan de manera eficiente y transfieren el calor desde la fuente a una ubicación más manejable.
principio de funcionamiento:
La fuente de calor convierte el fluido de trabajo en vapor dentro del tubo sellado y el vapor lleva el calor al extremo más frío del tubo de calor. En este extremo, el vapor se condensa en líquido y libera calor, y el fluido regresa al extremo más caliente.
Este proceso de transición de estado gas-líquido se ejecuta de forma continua y es impulsado únicamente por la diferencia de temperatura entre los extremos frío y caliente.
Conectar un disipador de calor u otro dispositivo de enfriamiento en el extremo frío puede resolver el problema de la disipación de calor de puntos calientes localizados donde el flujo de aire está bloqueado.
admirador
Es el primer paso hacia un dispositivo de enfriamiento activo enfriado por aire forzado, que se deshace de los radiadores pasivos y las tuberías de calor, pero los ventiladores también tienen sus propios dolores de cabeza:
1. Aumentar el costo, requerir espacio y aumentar el ruido del sistema;
2. Es propenso a fallar, consume energía y afecta la eficiencia de todo el sistema.
Pero en muchos casos, especialmente cuando la ruta del flujo de aire es curva, vertical u obstruida, a menudo son la única forma de obtener un flujo de aire adecuado.
El parámetro clave que define la capacidad de un ventilador es la unidad de longitud o la unidad de flujo de volumen de aire por minuto.
Sin embargo, el tamaño físico es un problema: un ventilador grande a baja velocidad puede producir el mismo flujo de aire que un ventilador pequeño a alta velocidad, por lo que hay una compensación entre el tamaño y la velocidad.
Modelado y Simulación Integral
Los sistemas pasivos independientes son más grandes en tamaño pero son más confiables y eficientes, mientras que los ventiladores pueden funcionar en situaciones en las que no se puede usar solo el enfriamiento pasivo.
Qué sistema elegir para el enfriamiento a menudo puede ser una decisión difícil.
Aquí es donde se necesitan modelos y simulaciones para determinar cuánto enfriamiento se necesita y cómo lograrlo, lo cual es fundamental para una estrategia de gestión térmica eficiente.
Para los modelos en miniatura, las fuentes de calor y sus rutas para el flujo de calor se caracterizan por su resistencia térmica, que está determinada por el material, la masa y el tamaño utilizados.
El modelado que muestra cómo fluye el calor desde la fuente de calor también es el primer paso para evaluar los componentes que causan fallas térmicas debido a su propia disipación de calor.
Los proveedores de dispositivos, como los circuitos integrados de alta disipación de calor, los MOSFET y los IGBT, a menudo proporcionan modelos térmicos que brindan detalles de la ruta térmica desde la fuente de calor hasta la superficie del dispositivo.
Una vez conocidas las cargas térmicas de los distintos componentes, el siguiente paso es modelar a nivel macro, que es tan simple como complejo:
El flujo de aire de varias fuentes de calor se dimensiona para mantener su temperatura por debajo de los límites permitidos; los cálculos básicos se realizan utilizando la temperatura del aire, el flujo de aire no forzado disponible, el flujo de aire del ventilador y otros factores para tener una idea aproximada de las condiciones de temperatura.
Luego viene un modelado más complejo de todo el producto y su empaque utilizando el modelo y la ubicación de cada fuente de calor, la placa de circuito impreso, la superficie de la caja y otros factores.
Finalmente, el modelado tiene que resolver dos problemas:
1. El problema de la disipación máxima y media. Por ejemplo, un componente de estado estable que disipa 1 W de calor continuamente tiene un impacto térmico diferente que un dispositivo que disipa 10 W de calor pero tiene un ciclo de trabajo intermitente del 10 por ciento.
Esto significa que la disipación de calor promedio es la misma, y la masa térmica y el flujo de calor asociados producirán diferentes distribuciones de calor. La mayoría de las aplicaciones de CFD se pueden analizar con una combinación de estática y dinámica.
2. Imperfecciones en las conexiones físicas entre los componentes y las superficies del micromodelo, como la conexión física entre la parte superior del paquete IC y el disipador de calor.
Si la conexión tiene un paso pequeño, la resistencia térmica de esta ruta aumentará y es necesario llenar la almohadilla térmica en la superficie de contacto para mejorar la conductividad térmica de la ruta.
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.
