O introducere în managementul termic

Sistemele electronice sunt din ce în ce mai dense și mai fierbinți, ceea ce înseamnă că multe sisteme vor necesita o metodă de gestionare a căldurii respective. Deși dezvoltarea unei soluții de management termic nu este necesară pentru fiecare proiect, o înțelegere fundamentală a modului în care căldura este generată, deplasată și eliminată este esențială pentru a evita deteriorarea componentelor cheie ca urmare a temperaturilor ridicate. În final, managementul termic trebuie să fie luat în considerare mai degrabă în primele etape de proiectare, decât ca o soluție de urgență în proiectarea finală.

Bazele managementului termic

Pe măsură ce sistemele electronice sunt tot mai solicitate, teoria afirmă că există trei moduri de transfer al căldurii și prin care pot fi răcite componentele: conducție, convecție și radiație.

Poate cea mai eficientă metodă de transfer de energie, conducția, transferă energia termică prin contactul fizic dintre două obiecte, obiectul mai rece atrăgând în mod natural energia de la obiectul mai cald. În general, această metodă necesită cea mai mică suprafață pentru a deplasa cea mai mare cantitate de energie.

Figura 1: conducția în practică. (Sursă imagine: Same Sky)

A doua, convecția, redistribuie energia termică prin intermediul mișcării aerului. Pe măsură ce aerul mai rece trece pe lângă un obiect mai cald, acesta extrage căldura din obiect și o transportă în timp ce continuă să se deplaseze prin dispozitiv. Această metodă poate fi realizată prin convecția naturală a aerului sau prin convecția forțată a aerului prin intermediul unui ventilator.

Figura 2: convecția în practică. (Sursă imagine: Same Sky)

A treia, radiația, este emisia de energie sub formă de undă electromagnetică. Comparativ, această metodă este mai degrabă ineficientă și este ignorată în majoritatea calculelor termice, deoarece se practică, în general, numai pentru aplicațiile în vid, unde conducția și convecția nu pot fi utilizate. În principiu, radiația reprezintă transferul de căldură prin intermediul undelor electromagnetice create atunci când particulele fierbinți vibrează.

Figura 3: radiația în practică. (Sursă imagine: Same Sky)

Deși nu este unul dintre cele trei concepte termice de bază prezentate mai sus, este important să menționăm și rezistența termică sau impedanța, care cuantifică eficiența transmisiei termice între obiecte și este utilizată pe scară largă în proiectarea soluțiilor de management termic. Pe scurt, cu cât impedanța termică este mai mică, cu atât transferul de energie este mai bun. Utilizând impedanța termică și o anumită temperatură ambiantă, este posibil să se calculeze exact câtă energie poate fi disipată înainte de a atinge anumite temperaturi.

Componentele managementului termic

Există trei abordări populare pentru răcirea sistemelor electronice: disipatoare termice, ventilatoare și module Peltier. Fiecare dintre ele poate fi utilizată singură, dar se poate atinge o eficiență și mai mare atunci când sunt integrate împreună.

Disipatoarele termice sunt disponibile în multe forme și dimensiuni. Acestea sunt utilizate pentru a îmbunătăți eficiența răcirii prin convecție, reducând impedanța termică dintre dispozitivele la care sunt atașate și mediul de răcire, de obicei aerul. Acest lucru este realizat prin creșterea suprafeței de convecție, iar dispozitivele sunt fabricate dintr-un material care are o impedanță termică mai mică decât semiconductorii tipici. Disipatoarele termice au costuri reduse și nu se defectează sau se uzează aproape niciodată, însă tind să crească volumul sistemelor electronice pe care le răcesc. Fiind componente pasive, disipatoarele termice sunt adesea asociate cu ventilatoare pentru a îndepărta mai eficient energia termică disipată din sistem. Ventilatoarele sau suflantele creează un flux constant de aer proaspăt și rece peste un disipator termic pentru a menține diferența de temperatură dintre acesta și aerul de răcire și pentru a asigura un transfer de energie termică eficient și continuu.

Ventilatoarele și suflantele sunt disponibile într-o mare varietate de forme și dimensiuni, cu multe opțiuni de putere diferite. Specificația cheie este fluxul de aer pe care îl pot genera, măsurat de obicei în picioare cubice pe minut (CFM). Unele ventilatoare și suflante sunt dotate cu dispozitive de control, astfel încât viteza lor poate fi ajustată pentru a corespunde nevoilor curente de răcire, ca parte a unui sistem de control bazat pe feedback. Ventilatoarele ajută la îmbunătățirea răcirii, dar proiectanții trebuie să fie conștienți de faptul că acestea necesită energie și, uneori, circuite de control. Spre deosebire de disipatoarele termice, ventilatoarele pot fi și zgomotoase, și au părți mobile care le fac mai predispuse la defecțiuni.

Dispozitivele Peltier sunt componente semiconductoare care utilizează efectul Peltier pentru a transfera căldura dintr-o parte în alta a unui modul. Dispozitivele Peltier trebuie să fie alimentate cu energie pentru a deplasa energia termică, ceea ce, de fapt, adaugă căldură în sistem, astfel că acestea sunt utilizate cel mai bine cu radiatoare și ventilatoare. Cu toate acestea, modulele Peltier pot realiza o reglare precisă a temperaturii și pot răci dispozitivele sub temperatura ambiantă. La fel ca și disipatoarele termice, acestea nu au părți mobile, deci sunt flexibile și robuste în sine, dar, din nou, este posibil să fie necesară utilizarea lor cu ventilatoare, radiatoare și circuite de control, ceea ce crește costurile și complexitatea. Din aceste motive, modulele Peltier sunt deseori rezervate pentru cele mai solicitante aplicații, cum ar fi extragerea energiei termice din inima sistemelor electronice foarte aglomerate.

Calcularea cerințelor termice

Oricare ar fi cerințele finale de proiectare, există abordări bine stabilite pentru a proiecta o soluție de răcire eficientă pentru sistemele electronice. Pentru a ilustra modul în care un inginer ar putea aborda crearea unei soluții integrate de management termic, iată o problemă și o soluție ipotetică:

Acest exemplu va utiliza un dispozitiv într-un pachet de 10 mm x 15 mm care generează 3,3 W de căldură în stare stabilă. Temperatura ambiantă a mediului de funcționare a dispozitivului este de 50 °C, cu o temperatură de funcționare ideală de 40 °C. Nicio parte a sistemului nu trebuie să depășească 100 °C.

Figura 4: graficul de performanță al modulului Peltier din fișa tehnică CP2088-219 (Sursa imaginii: Same Sky)

Aceste specificații înseamnă că este nevoie de un modul Peltier pentru a aduce temperatura dispozitivului sub cea ambiantă. Same Sky oferă CP2088-219, un micro modul Peltier care poate elimina 3,3 W de energie termică și reduce temperatura unui dispozitiv la 10 °C sub temperatura ambiantă. Modulul Peltier este atașat la dispozitiv cu ajutorul SF600G, un material de interfață termică (TIM) care reduce impedanța termică dintre dispozitiv și răcitor. Fișa tehnică a CP2088-219 (Figura 4) arată că modulul Peltier necesită 1,2 A la 2,5 V, ceea ce înseamnă că funcționarea sa va adăuga 3 W de energie termică la sistem.

Pentru a elimina totalul de 6,3 W de energie termică de la modulul Peltier, un disipator termic (HSS-B20-NP-12) este atașat pe cealaltă parte a acestuia, folosind din nou SF600G TIM ca interfață. TIM are o suprafață de 8,8 mm x 8,8 mm și o rezistență termică de puțin sub 1,08°C/W.

Disipatorul termic are o rezistență termică de 3,47°C/W, presupunând că pe acesta trece un flux de aer de 200 de metri liniari pe minut (LFM).

Astfel, rezistența termică totală combinată a TIM și a disipatorului termic ajunge la 4,55 °C/W.

Pentru a asigura un debit de aer constant de 200 LFM, se poate utiliza un ventilator din seria CFM-25B.

Configurația conectează dispozitivul care urmează să fie răcit la un modul Peltier prin intermediul unui TIM. Suprafața superioară a modulului Peltier este conectată la un disipator termic prin intermediul unui alt TIM, iar întregul ansamblu elimină aproximativ 200 LFM de aer la 50 °C.

Figura 5: soluție de management termic care utilizează un dispozitiv Peltier, un disipator termic, două straturi TIM și un ventilator (Sursa imaginii: Same Sky)

Folosind aceste date, se poate calcula temperatura în stare stabilă a dispozitivului. Modulul Peltier își va menține partea rece la 40 °C – cu prețul adăugării a 3,3 W de căldură în ansamblu. Disipatorul termic va trebui să disipeze 6,3 W de căldură într-un mediu cu un flux de aer de 50 °C, cu o rezistență termică totală între modulul Peltier și aerul ambiant de 4,55 °C/W. Înmulțind 6,3 W cu 4,55 °C/W se determină creșterea temperaturii față de temperatura ambiantă, care, în acest caz, este de 28,67 °C sau 78,67 °C în total. Acest lucru este cu mult sub cerința de 100 °C, rezultând o soluție de management termic care satisface nevoile sistemului.

Concluzie

Managementul termic este deja necesar în aplicațiile de consum, precum refrigerarea, HVAC, imprimarea 3D și dezumidificatoarele. De asemenea, este utilizat în aplicații științifice și industriale, cum ar fi ciclatoarele termice pentru sinteza ADN și laserele de mare precizie. Disipatoarele termice, ventilatoarele și modulele Peltier pot contribui la menținerea sistemelor electronice complexe între limitele termice proiectate. Same Sky oferă o gamă de componente de management termic pentru a simplifica acest proces critic de selecție.