โซลูชันการจัดการความร้อนหลักของแหล่งจ่ายไฟ

การจัดการความร้อนเป็นไปตามหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์ การนำความร้อนมีสามวิธี: การแผ่รังสี การนำความร้อน และการพาความร้อน

สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ เพื่อให้ได้ความเย็นตามที่ต้องการ ขั้นแรกให้ความร้อนออกจากแหล่งความร้อนโดยการนำความร้อน จากนั้นจึงถ่ายโอนไปยังที่อื่นโดยการพาความร้อน

เมื่อทำการออกแบบระบบระบายความร้อน จำเป็นต้องรวมฮาร์ดแวร์การจัดการระบายความร้อนต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ค่าการนำไฟฟ้าและการพาความร้อนที่ต้องการอย่างมีประสิทธิภาพ

ส่วนประกอบทำความเย็นที่ใช้บ่อยที่สุดมีสามองค์ประกอบ ได้แก่ ฮีตซิงก์ ท่อความร้อน และพัดลม

ฮีตซิงก์และฮีทไปป์เป็นระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟที่ไม่มีแหล่งจ่ายไฟ ในขณะที่พัดลมเป็นระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ

หม้อน้ำเป็นโครงสร้างอะลูมิเนียมหรือทองแดงที่สามารถรับความร้อนจากแหล่งความร้อนผ่านการนำความร้อนและถ่ายเทความร้อนไปยังกระแสลม (ในบางกรณี สู่น้ำหรือของเหลวอื่นๆ) เพื่อให้เกิดการพาความร้อน

ฮีตซิงก์มีหลายขนาดและรูปร่าง ตั้งแต่ครีบโลหะขนาดเล็กที่เชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ตัวเดียวไปจนถึงการอัดขึ้นรูปขนาดใหญ่ที่มีครีบ (นิ้ว) จำนวนมากที่สามารถสกัดกั้นการไหลของอากาศหมุนเวียนและถ่ายเทความร้อนไปยังฮีตซิงก์

หม้อน้ำมีข้อดีคือไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ต้นทุนการดำเนินงาน โหมดความล้มเหลว ฯลฯ

เมื่อหม้อน้ำเชื่อมต่อกับแหล่งความร้อน เมื่ออากาศอุ่นสูงขึ้น การพาความร้อนจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติ จึงเริ่มต้นและก่อให้เกิดการไหลของอากาศอย่างต่อเนื่อง

แม้ว่าหม้อน้ำจะใช้งานง่าย แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง:

• หม้อน้ำที่ถ่ายเทความร้อนขนาดใหญ่มีขนาดใหญ่ ราคาแพง และหนัก และต้องวางอย่างถูกต้อง ซึ่งจะส่งผลหรือจำกัดรูปแบบทางกายภาพของแผงวงจร

• 
  

• ครีบอาจอุดตันด้วยฝุ่นในกระแสลมทำให้ประสิทธิภาพลดลง

• 
  

• ต้องเชื่อมต่อกับแหล่งความร้อนอย่างถูกต้องเพื่อให้ความร้อนสามารถไหลจากแหล่งความร้อนไปยังหม้อน้ำได้อย่างราบรื่น

ท่อความร้อน

เป็นองค์ประกอบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของชุดการจัดการระบายความร้อน ซึ่งสามารถถ่ายเทความร้อนจากจุด A ไปยังจุด B ได้โดยไม่ต้องใช้กลไกการบังคับแบบแอ็คทีฟใดๆ

ประกอบด้วยแกนเผาผนึกและท่อโลหะปิดผนึกของของไหลทำงาน มันไม่ได้ทำหน้าที่เป็นหม้อน้ำด้วยตัวเอง หน้าที่ของมันคือดูดซับความร้อนจากแหล่งความร้อนและถ่ายโอนไปยังบริเวณที่เย็นกว่า

สามารถใช้ท่อความร้อนได้เมื่อมีพื้นที่ใกล้แหล่งความร้อนไม่เพียงพอสำหรับวางหม้อน้ำหรือกระแสลมไม่เพียงพอ ท่อความร้อนมีประสิทธิภาพการทำงานสูงและสามารถถ่ายเทความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังสถานที่ที่สะดวกในการจัดการ

หลักการทำงานนั้นเรียบง่ายและแยบยล:

แหล่งความร้อนแปลงของเหลวทำงานเป็นไอน้ำในท่อที่ปิดสนิท และไอน้ำจะถ่ายเทความร้อนไปยังปลายท่อความร้อนที่เย็นกว่า เมื่อถึงจุดนี้ ไอจะควบแน่นเป็นของเหลวและปล่อยความร้อน ในขณะที่ของไหลกลับสู่จุดร้อน

กระบวนการเปลี่ยนรูปของแก๊สและของเหลวนี้ทำงานอย่างต่อเนื่องและเกิดขึ้นจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายเย็นและปลายร้อนเท่านั้น การเชื่อมต่อหม้อน้ำหรืออุปกรณ์ทำความเย็นอื่น ๆ ที่ปลายเย็นสามารถแก้ปัญหาการกระจายความร้อนของจุดร้อนในพื้นที่ที่มีการปิดกั้นการไหลของอากาศ

พัดลม

นี่เป็นก้าวแรกสู่แผงระบายความร้อนแบบแอคทีฟที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ นอกเหนือไปจากหม้อน้ำแบบพาสซีฟและท่อความร้อน แต่พัดลมก็มีข้อเสียเช่นกัน:

ต้นทุนสูง ต้องการพื้นที่ เพิ่มเสียงของระบบ

มีแนวโน้มจะล้มเหลว สิ้นเปลืองพลังงาน และส่งผลต่อประสิทธิภาพของทั้งระบบ

แต่ในหลายกรณี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเส้นทางกระแสลมเป็นแนวโค้ง แนวตั้ง หรือไม่ราบเรียบ มักจะเป็นวิธีเดียวที่จะได้รับกระแสลมที่เพียงพอ

พารามิเตอร์หลักที่กำหนดความจุของพัดลมคือความยาวหน่วยหรืออัตราการไหลของอากาศต่อนาที

อย่างไรก็ตาม ขนาดทางกายภาพเป็นปัญหา: พัดลมขนาดใหญ่ที่มีความเร็วรอบต่ำสามารถสร้างกระแสลมได้เช่นเดียวกับพัดลมขนาดเล็กที่มีความเร็วในการหมุนสูง ดังนั้นจึงมีข้อแลกเปลี่ยนระหว่างขนาดและความเร็ว

การสร้างแบบจำลองและการจำลองที่ครอบคลุม

ระบบพาสซีฟที่แยกจากกันนั้นมีขนาดใหญ่กว่า แต่มีความน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพมากกว่า และพัดลมสามารถมีบทบาทในสถานการณ์ที่ไม่สามารถใช้การระบายความร้อนแบบพาสซีฟเพียงอย่างเดียวได้

ระบบใดที่จะเลือกระบายความร้อนมักจะเป็นการตัดสินใจที่ยาก

ในเวลานี้ จำเป็นต้องกำหนดว่าต้องการอากาศเย็นมากเพียงใดและจะระบายความร้อนได้อย่างไรผ่านการสร้างแบบจำลองและการจำลอง ซึ่งจำเป็นสำหรับกลยุทธ์การจัดการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

สำหรับรุ่นย่อส่วน แหล่งความร้อนและเส้นทางการไหลของความร้อนมีลักษณะความต้านทานความร้อน และความต้านทานความร้อนจะถูกกำหนดโดยวัสดุ คุณภาพ และขนาดที่ใช้

การสร้างแบบจำลองแสดงให้เห็นว่าความร้อนไหลมาจากแหล่งความร้อนอย่างไร และเป็นขั้นตอนแรกในการประเมินส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดอุบัติเหตุจากความร้อนอันเนื่องมาจากการกระจายความร้อนของตัวเอง

ตัวอย่างเช่น ซัพพลายเออร์อุปกรณ์ เช่น ไอซีที่มีการกระจายความร้อนสูง MOSFET และ IGBT มักจะจัดเตรียมแบบจำลองการระบายความร้อนที่สามารถให้รายละเอียดของเส้นทางการระบายความร้อนจากแหล่งความร้อนไปยังพื้นผิวของอุปกรณ์

เมื่อทราบภาระความร้อนของแต่ละส่วนประกอบแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างแบบจำลองในระดับมหภาค ซึ่งทั้งง่ายและซับซ้อน:

ปรับขนาดของการไหลของอากาศผ่านแหล่งความร้อนต่างๆ เพื่อให้อุณหภูมิต่ำกว่าขีดจำกัดที่อนุญาต ใช้อุณหภูมิของอากาศ การไหลของอากาศที่ไม่ได้บังคับ การไหลของอากาศของพัดลม และปัจจัยอื่นๆ เพื่อทำการคำนวณพื้นฐานเพื่อทำความเข้าใจสถานการณ์อุณหภูมิอย่างคร่าวๆ

ขั้นตอนต่อไปคือการใช้แบบจำลองและตำแหน่งของแหล่งความร้อน บอร์ด PC พื้นผิวเปลือก และปัจจัยอื่นๆ เพื่อสร้างแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นของผลิตภัณฑ์ทั้งหมดและบรรจุภัณฑ์

ในที่สุด การสร้างแบบจำลองต้องแก้ปัญหาสองประการ:

ปัญหาการกระจายสูงสุดและเฉลี่ย ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบในสภาวะคงตัวที่มีการกระจายความร้อนอย่างต่อเนื่องที่ 1W และอุปกรณ์ที่มีการกระจายความร้อน 10W แต่ด้วยรอบการทำงานที่ไม่ต่อเนื่อง 10% จะมีผลกระทบด้านความร้อนที่แตกต่างกัน

กล่าวคือ การกระจายความร้อนโดยเฉลี่ยจะเท่ากัน และมวลความร้อนที่เกี่ยวข้องและการไหลของความร้อนจะสร้างการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน แอปพลิเคชัน CFD ส่วนใหญ่สามารถรวมการวิเคราะห์แบบคงที่และแบบไดนามิกได้

ความไม่สมบูรณ์ของการเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างพื้นผิวของส่วนประกอบและแบบจำลองย่อส่วน เช่น การเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างส่วนบนของแพ็คเกจ IC และแผงระบายความร้อน

หากการเชื่อมต่อมีระยะทางน้อย ความต้านทานความร้อนของเส้นทางนี้จะเพิ่มขึ้น และจำเป็นต้องเติมพื้นผิวสัมผัสด้วยแผ่นความร้อนเพื่อเพิ่มการนำความร้อนของเส้นทาง

การจัดการระบายความร้อนสามารถลดอุณหภูมิของส่วนประกอบในแหล่งจ่ายไฟและสภาพแวดล้อมภายใน ซึ่งสามารถยืดอายุผลิตภัณฑ์และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

แต่การจัดการระบายความร้อนเป็นแนวคิดแบบบูรณาการ หากแยกย่อยเป็นประเด็นย่อย ถือเป็นเรื่องใหญ่

มันเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนขนาด กำลัง ประสิทธิภาพ น้ำหนัก ความน่าเชื่อถือ และต้นทุน ต้องประเมินลำดับความสำคัญและข้อจำกัดของโครงการ