การออกแบบความร้อนของแหล่งจ่ายไฟ SBC

คอมพิวเตอร์บอร์ดเดี่ยว (SBC) เป็นโซลูชันแบบบูรณาการที่ง่ายดายสำหรับปัญหาการควบคุมมากมาย ความนิยมของแนวคิดนี้ทำให้จำนวนผลิตภัณฑ์ SBC เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในตลาด ซึ่งครอบคลุมความต้องการด้านประสิทธิภาพและต้นทุนที่หลากหลาย ตั้งแต่โซลูชันที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ค่อนข้างง่ายไปจนถึงโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่ซับซ้อนแต่มีขนาดกะทัดรัด และเกตไฮบริดที่ตั้งโปรแกรมได้ในสนาม อาร์เรย์ โดยทั่วไป ความจำเป็นในการจัดแพ็คเกจประสิทธิภาพการประมวลผลจำนวนมากลงในพื้นที่ขนาดเล็กทำให้เกิดความท้าทายในการออกแบบเชลล์และแพ็คเกจ และมีผลต่อเนื่องไปยังระบบย่อยของพาวเวอร์ซัพพลาย

ความร้อนมีผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพการทำงานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะวงจรที่ใช้สำหรับการแปลงและการส่งพลังงาน มักจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าที่อุณหภูมิต่ำ และมีแนวโน้มที่จะกระจายพลังงานน้อยลงในรูปของความร้อนเหลือทิ้ง เมื่อกำลังขับของทั้งระบบเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพที่ได้รับจากการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

การทำงานของเครื่องทำความเย็นจะมีปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อความน่าเชื่อถือ หากระบบทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า ความน่าจะเป็นของความล้มเหลวภายในเวลาที่กำหนดจะลดลง ปัจจัยเหล่านี้ทำให้การพิจารณาความเป็นไปได้ทั้งหมดเป็นสิ่งสำคัญเมื่อพิจารณาตัวเลือกการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลาย เช่น เส้นโค้งการทำความเย็นและโหลดเทียบกับประสิทธิภาพ มีสามวิธีหลักในการกระจายความร้อนสำหรับหน่วยอิเล็กทรอนิกส์ เช่น แหล่งจ่ายไฟ: การแผ่รังสี การพาความร้อน และการนำไฟฟ้า สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมส่วนใหญ่ การพาความร้อนและการนำไฟฟ้ามีความสำคัญที่สุด

ผ่านการพาความร้อน เมื่อพลังงานถูกถ่ายโอนจากส่วนประกอบที่เป็นของแข็งของระบบไปยังโมเลกุลของอากาศ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากแหล่งจ่ายไฟ อัตราการสูญเสียความร้อนจะแปรผันตามความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านระบบ ดังนั้น การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับจะให้ระดับความเย็นที่มากกว่าการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติที่เกิดจากชุดระบายความร้อนที่ถ่ายโอนพลังงานไปยังโมเลกุลของอากาศ

การนำความร้อนผ่านวัสดุพิมพ์ PCB หรือแชสซีระบบเป็นวิธีเพิ่มเติมในการกระจายความร้อนจากแหล่งจ่ายไฟ แม้ว่าโดยทั่วไปจะถือว่ามีความสำคัญน้อยกว่าการพาความร้อนก็ตาม นอกจากนี้ ในระบบที่ใช้ SBC เป็นสิ่งสำคัญเช่นกันที่ความร้อนของแหล่งจ่ายไฟไม่สามารถถ่ายโอนไปยังคอมเพล็กซ์โปรเซสเซอร์ได้ เนื่องจากจะเพิ่มความเป็นไปได้ที่อุปกรณ์จะเข้าสู่การปิดระบบระบายความร้อนเพื่อป้องกันตัวเองภายใต้สภาวะโหลดสูง

โดยทั่วไป ปริมาณทองแดงสูงของ PCB และโลหะในตัวเครื่องช่วยให้ความร้อนไหลออกจากแหล่งจ่ายไฟผ่านการนำความร้อนได้ดี หม้อน้ำที่ติดตั้งภายนอกตู้จะช่วยถ่ายเทความร้อนจากระบบไปยังตำแหน่งที่สามารถสูญเสียไปโดยการพาความร้อน ขอแนะนำให้เติมช่องว่างระหว่างอุปกรณ์ที่จะระบายความร้อนด้วยกาวนำความร้อน และเพิ่มการถ่ายเทความร้อนจากอุปกรณ์ไปยังหม้อน้ำ สลักเกลียวหรือแคลมป์จะเพิ่มแรงกดสัมผัส ซึ่งยังช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนไปยังฮีทซิงค์

ทิศทางการจ่ายไฟในระบบจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนด้วย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเค้าโครงของส่วนประกอบภายใน เนื่องจากอากาศร้อนมีแนวโน้มสูงขึ้น พาวเวอร์ซัพพลายที่ติดตั้งใต้ SBC มีแนวโน้มที่จะถ่ายเทความร้อนไปยังส่วนประกอบในคอมเพล็กซ์โปรเซสเซอร์ หากติดตั้งบอร์ดในแนวตั้งและ PSU อยู่ด้านข้าง ลมร้อนจะได้รับผลกระทบน้อยลง อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อนอาจวางไว้ที่ด้านล่างของตัวเครื่องจะดีกว่า

เมื่อใช้ฮีทซิงค์ภายใน ครีบของฮีทซิงค์ที่ใหญ่ที่สุดจะต้องขนานกับทิศทางการไหลของอากาศ โดยธรรมชาติแล้วการไหลเวียนของอากาศจะถูกจำกัดด้วยสิ่งกีดขวางซึ่งจำเป็นต้องพิจารณา วิธีที่อากาศออกจากระบบจะช่วยกำหนดประสิทธิภาพของการไหลของอากาศ เพื่อป้องกันการสะสมแรงดันและลดประสิทธิภาพของพัดลม พื้นที่หน้าตัดของช่องลมออกควรใหญ่กว่าพื้นที่หน้าตัดของช่องลมเข้าอย่างน้อย 50 เปอร์เซ็นต์

เมื่อพิจารณาถึงปัจจัยเหล่านี้ โดยพิจารณาจากพารามิเตอร์การระบายความร้อนที่ออกแบบทั่วทั้งระบบ นักออกแบบไม่เพียงแต่สามารถใช้ประโยชน์จากความพร้อมใช้งานของ SBC ประสิทธิภาพสูงได้อย่างเต็มที่เท่านั้น แต่ยังใช้ประโยชน์จากตัวแปลงพลังงานนอกชั้นวางได้อย่างเต็มที่อีกด้วย