הפתרונות העיקריים לניהול תרמי של אספקת חשמל
ניהול תרמי מציית לעקרונות הבסיסיים של הפיזיקה. ישנן שלוש דרכים להולכת חום: קרינה, הולכה והסעה.
עבור רוב המערכות האלקטרוניות, כדי להשיג את הקירור הנדרש הוא קודם כל לתת לחום לעזוב את מקור החום על ידי הולכה, ולאחר מכן להעביר אותו למקומות אחרים בהסעה.
בעת ביצוע תכנון תרמי, יש צורך לשלב חומרות ניהול תרמי שונות כדי להשיג ביעילות את ההולכה וההסעה הנדרשים.
ישנם שלושה רכיבי קירור הנפוצים ביותר: גופי קירור, צינורות חום ומאווררים.
גוף הקירור וצינור החום הם מערכות קירור פסיביות ללא אספקת חשמל, בעוד המאוורר הוא מערכת קירור אוויר כפוי אקטיבי.
הרדיאטור הוא מבנה אלומיניום או נחושת שיכול לקבל חום ממקור חום באמצעות הולכה ולהעביר את החום לזרימת האוויר (במקרים מסוימים, למים או לנוזלים אחרים) כדי להשיג הסעה.
גופי קירור מגיעים באלפי גדלים וצורות, החל מסנפירי מתכת קטנים עם טבעות המחברים טרנזיסטור בודד ועד לשחולים גדולים עם סנפירים רבים (אצבעות) שיכולים ליירט זרימת אוויר הסעה ולהעביר אליו חום.
לרדיאטור היתרונות של חוסר חלקים נעים, עלויות תפעול, מצבי כשל וכו'.
ברגע שהרדיאטור מחובר למקור החום, כשהאוויר החם עולה, תתרחש הסעה באופן טבעי, וכך תתחיל ותמשיך ליצור זרימת אוויר.
למרות שהרדיאטור קל לשימוש, ישנם כמה חסרונות:
הרדיאטור שמעביר חום גדול הוא גדול, יקר וכבד, ויש למקם אותו בצורה נכונה, מה שישפיע או יגביל את הפריסה הפיזית של המעגל;
הסנפירים עלולים להיחסם על ידי אבק בזרימת האוויר, מה שמפחית את היעילות;
יש לחבר אותו כראוי למקור החום כך שהחום יוכל לזרום ממקור החום לרדיאטור בצורה חלקה.
צינור חימום
זהו מרכיב חשוב נוסף בחבילת הניהול התרמי, שיכול להעביר חום מנקודה A לנקודה B ללא כל צורה של מנגנון כוח פעיל.
הוא מכיל ליבה מרוסנת וצינור מתכת אטום של נוזל עבודה. הוא אינו פועל כרדיאטור בפני עצמו. תפקידו לספוג חום ממקור החום ולהעבירו לאזור קר יותר.
ניתן להשתמש בצינורות חום כאשר אין מספיק מקום ליד מקור החום למקם את הרדיאטור או שזרימת האוויר אינה מספקת. לצינור החום יעילות עבודה גבוהה והוא יכול להעביר חום מהמקור למקום נוח יותר לניהול.
עקרון העבודה שלו פשוט וגאוני:
מקור החום הופך את נוזל העבודה לאדים בצינור האטום, והקיטור מעביר את החום לקצה הקר יותר של צינור החום. בקצה זה, האדים מתעבים לנוזל ומשחררים חום, בעוד הנוזל חוזר לקצה החם יותר.
תהליך המרת גז-נוזל זה פועל ברציפות ומופעל רק על ידי הפרש הטמפרטורה בין הקצה הקר לקצה החם. חיבור רדיאטור או מכשיר קירור אחר בקצה הקר יכול לפתור את בעיית פיזור החום של נקודות חמות מקומיות בהן זרימת האוויר חסומה.
אוהד
זהו הצעד הראשון לקראת גוף קירור אקטיבי מקורר אוויר, מלבד רדיאטורים פסיביים וצינורות חום, אך למאווררים יש גם חסרונות:
עלות גבוהה, צורך מקום, הגדלת רעש המערכת;
מועד לכשל, צורך אנרגיה ומשפיע על יעילות המערכת כולה
אבל במקרים רבים, במיוחד כאשר נתיב זרימת האוויר מעוקל, אנכי או לא חלק, הם בדרך כלל הדרך היחידה להשיג זרימת אוויר מספקת.
הפרמטר המרכזי המגדיר את הקיבולת של מאוורר הוא אורך היחידה או קצב זרימת נפח יחידת האוויר לדקה.
עם זאת, הגודל הפיזי הוא בעיה: מאוורר גדול עם מהירות סיבוב נמוכה יכול לייצר זרימת אוויר זהה למאוורר קטן עם מהירות סיבוב גבוהה, כך שיש פשרה בין גודל למהירות.
דוגמנות וסימולציה מקיפה
מערכות פסיביות נפרדות גדולות יותר בגודלן, אך אמינות ויעילות יותר, ומאווררים יכולים למלא תפקיד במצבים בהם לא ניתן להשתמש בקירור פסיבי לבדו.
איזו מערכת לבחור לקירור היא לרוב החלטה קשה.
בשלב זה, יש צורך לקבוע כמה אוויר קירור נחוץ וכיצד להשיג קירור באמצעות מידול וסימולציה, אשר חיוניים לאסטרטגיות ניהול תרמי יעילות.
עבור הדגם המיניאטורי, מקור החום ונתיב זרימת החום שלו מאופיינים בהתנגדות התרמית שלהם, וההתנגדות התרמית נקבעת לפי החומר, האיכות והגודל המשמשים.
מידול מראה כיצד חום זורם ממקור החום והוא גם השלב הראשון בהערכת רכיבים הגורמים לתאונות תרמיות עקב פיזור החום שלהם.
לדוגמה, ספקי מכשירים כגון ICs עם פיזור חום גבוה, MOSFETs ו-IGBTs מספקים בדרך כלל מודלים תרמיים שיכולים לספק פרטים על הנתיב התרמי ממקור החום אל פני השטח של המכשיר.
ברגע שהעומס התרמי של כל רכיב ידוע, השלב הבא הוא מודל ברמת מאקרו, שהיא פשוטה ומורכבת כאחד:
התאם את גודל זרימת האוויר דרך מקורות חום שונים כדי לשמור על הטמפרטורה שלו מתחת לגבול המותר; השתמש בטמפרטורת אוויר, זרימת אוויר לא מאולצת זמינה, זרימת אוויר מאוורר וגורמים אחרים כדי לבצע חישובים בסיסיים כדי להבין בערך את מצב הטמפרטורה.
השלב הבא הוא להשתמש בדגם ובמיקום של כל מקור חום, לוח PC, משטח מעטפת וגורמים נוספים כדי לבצע מידול מורכב יותר של המוצר כולו והאריזה שלו.
לבסוף, מודלים צריכים לפתור שתי בעיות:
הבעיה של פיזור שיא וממוצע. לדוגמה, לרכיב במצב יציב עם פיזור תרמי מתמשך של 1W ולהתקן עם פיזור תרמי של 10W אך עם מחזור עבודה לסירוגין של 10% יש השפעות תרמיות שונות.
כלומר, פיזור החום הממוצע זהה, ומסת החום וזרימת החום הקשורים ייצרו הפצות חום שונות. רוב יישומי ה-CFD יכולים לשלב ניתוח סטטי ודינאמי.
חוסר השלמות של החיבור הפיזי בין משטח הרכיב לדגם המיניאטורי, כגון החיבור הפיזי בין החלק העליון של אריזת ה-IC לבין גוף הקירור.
אם לחיבור יש מרחק קטן, ההתנגדות התרמית של נתיב זה תגדל, ויש צורך למלא את משטח המגע עם כרית תרמית כדי לשפר את המוליכות התרמית של השביל.
ניהול תרמי יכול להפחית את הטמפרטורה של הרכיבים באספקת החשמל ובסביבה הפנימית, מה שיכול להאריך את חיי המוצר ולשפר את האמינות.
אבל ניהול תרמי הוא מושג משולב, אם מפרקים אותו לפרטי הפרטים, זה נושא ענק.
זה כרוך בהחלפות של גודל, כוח, יעילות, משקל, אמינות ועלות. יש להעריך את העדיפות והאילוצים של הפרויקט.
