ซีรี่ส์เทคโนโลยีการจัดการความร้อน: การจัดการความเย็นด้วยพลังงาน
เมื่อวิศวกรไฟฟ้าพูดถึงคำว่า"การจัดการพลังงาน" คนส่วนใหญ่นึกถึงหลอด MOS คอนเวอร์เตอร์ หม้อแปลง ฯลฯ
อันที่จริง การจัดการพลังงานเป็นมากกว่านั้น
แหล่งจ่ายไฟจะสร้างความร้อนเมื่อทำงาน และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจะทำให้ประสิทธิภาพการทำงานเปลี่ยนไป ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบในที่สุด
นอกจากนี้ ความร้อนจะทำให้อายุการใช้งานของส่วนประกอบสั้นลงและส่งผลต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว
ดังนั้นการจัดการพลังงานจึงเกี่ยวข้องกับการจัดการความร้อนด้วย เกี่ยวกับการจัดการระบายความร้อน มีสองมุมมองที่ต้องเข้าใจ:
& quot;ไมโคร"|ปัญหา
ส่วนประกอบชิ้นเดียวร้อนเกินไปเนื่องจากการสร้างความร้อนมากเกินไป แต่อุณหภูมิของส่วนอื่นๆ ของระบบและตัวเครื่องอยู่ภายในขีดจำกัด
& quot;มาโคร"|ปัญหา
อุณหภูมิของทั้งระบบสูงเกินไปเนื่องจากความร้อนสะสมจากแหล่งความร้อนหลายแห่ง
วิศวกรจำเป็นต้องกำหนดจำนวนปัญหาการจัดการระบายความร้อนที่เป็นจุลภาคและมาโคร และระดับของความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสอง
ความเข้าใจง่ายๆ คือ แม้ว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของส่วนประกอบที่สร้างความร้อนจะเกินขีดจำกัดที่อนุญาตและทำให้ทั้งระบบร้อนขึ้น ก็ไม่ได้หมายความว่าทั้งระบบจะร้อนเกินไป แต่ความร้อนส่วนเกินที่เกิดจากส่วนประกอบจะต้อง จะกระจาย
แล้วความร้อนจะไปไหน?
กระจายไปยังที่ที่เย็นกว่า โดยอาจเป็นส่วนที่อยู่ติดกันของระบบและแชสซี หรืออาจอยู่นอกแชสซีก็ได้ (จะทำได้เมื่ออุณหภูมิภายนอกต่ำกว่าอุณหภูมิภายในเท่านั้น)
การจัดการความร้อนเป็นไปตามหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์ การนำความร้อนมีสามวิธี: การแผ่รังสี การนำความร้อน และการพาความร้อน
สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ เพื่อให้ได้ความเย็นตามที่ต้องการ ขั้นแรกให้ความร้อนออกจากแหล่งความร้อนโดยการนำความร้อน จากนั้นจึงถ่ายโอนไปยังที่อื่นโดยการพาความร้อน
เมื่อทำการออกแบบระบบระบายความร้อน จำเป็นต้องรวมฮาร์ดแวร์การจัดการระบายความร้อนต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ค่าการนำไฟฟ้าและการพาความร้อนที่ต้องการอย่างมีประสิทธิภาพ
ส่วนประกอบทำความเย็นที่ใช้บ่อยที่สุดมีสามองค์ประกอบ ได้แก่ หม้อน้ำ ท่อความร้อน และพัดลม
หม้อน้ำและท่อความร้อนเป็นระบบทำความเย็นแบบพาสซีฟที่ไม่มีแหล่งจ่ายไฟ ในขณะที่พัดลมเป็นระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ
หม้อน้ำเป็นโครงสร้างอะลูมิเนียมหรือทองแดงที่สามารถรับความร้อนจากแหล่งความร้อนผ่านการนำความร้อนและถ่ายเทความร้อนไปยังกระแสลม (ในบางกรณี สู่น้ำหรือของเหลวอื่นๆ) เพื่อให้เกิดการพาความร้อน
ฮีตซิงก์มีหลายขนาดและรูปร่าง ตั้งแต่ครีบโลหะขนาดเล็กที่เชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ตัวเดียวไปจนถึงการอัดขึ้นรูปขนาดใหญ่ที่มีครีบ (นิ้ว) จำนวนมากที่สามารถสกัดกั้นการไหลของอากาศหมุนเวียนและถ่ายเทความร้อนไปยังฮีตซิงก์
หม้อน้ำมีข้อดีคือไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ต้นทุนการดำเนินงาน โหมดความล้มเหลว ฯลฯ
เมื่อหม้อน้ำเชื่อมต่อกับแหล่งความร้อน เมื่ออากาศอุ่นสูงขึ้น การพาความร้อนจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติ จึงเริ่มต้นและก่อให้เกิดการไหลของอากาศอย่างต่อเนื่อง
แม้ว่าหม้อน้ำจะใช้งานง่าย แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง: 1. หม้อน้ำที่ส่งความร้อนขนาดใหญ่นั้นมีขนาดใหญ่ ราคาแพง และหนัก และต้องวางอย่างถูกต้อง ซึ่งจะส่งผลกระทบหรือจำกัดรูปแบบทางกายภาพของแผงวงจร
2. ครีบอาจอุดตันด้วยฝุ่นในกระแสลม ทำให้ประสิทธิภาพลดลง
3. ต้องเชื่อมต่อกับแหล่งความร้อนอย่างถูกต้องเพื่อให้ความร้อนสามารถไหลจากแหล่งความร้อนไปยังหม้อน้ำได้อย่างราบรื่น
ในที่สุด การสร้างแบบจำลองต้องแก้ปัญหาสองประการ:
1. ปัญหาการกระจายสูงสุดและเฉลี่ย ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบในสภาวะคงตัวที่มีการกระจายความร้อนอย่างต่อเนื่องที่ 1W และอุปกรณ์ที่มีการกระจายความร้อน 10W แต่ด้วยรอบการทำงานที่ไม่ต่อเนื่อง 10% จะมีผลกระทบด้านความร้อนที่แตกต่างกัน
กล่าวคือ การกระจายความร้อนโดยเฉลี่ยจะเท่ากัน และมวลความร้อนที่เกี่ยวข้องและการไหลของความร้อนจะสร้างการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน แอปพลิเคชัน CFD ส่วนใหญ่สามารถรวมการวิเคราะห์แบบคงที่และแบบไดนามิกได้
2. การเชื่อมต่อทางกายภาพที่ไม่สมบูรณ์ระหว่างส่วนประกอบและพื้นผิวของโมเดลจิ๋ว เช่น การเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างส่วนบนของแพ็คเกจ IC และแผงระบายความร้อน
หากการเชื่อมต่อมีระยะทางน้อย ความต้านทานความร้อนของเส้นทางนี้จะเพิ่มขึ้น และจำเป็นต้องเติมพื้นผิวสัมผัสด้วยแผ่นความร้อนเพื่อเพิ่มการนำความร้อนของเส้นทาง
การจัดการระบายความร้อนสามารถลดอุณหภูมิของส่วนประกอบในแหล่งจ่ายไฟและสภาพแวดล้อมภายใน ซึ่งสามารถยืดอายุผลิตภัณฑ์และปรับปรุงความน่าเชื่อถือ
แต่การจัดการระบายความร้อนเป็นแนวคิดแบบบูรณาการ หากแยกย่อยเป็นประเด็นย่อย ถือเป็นเรื่องใหญ่
มันเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนขนาด กำลัง ประสิทธิภาพ น้ำหนัก ความน่าเชื่อถือ และต้นทุน ต้องประเมินลำดับความสำคัญและข้อจำกัดของโครงการ
