Các giải pháp quản lý nhiệt chính của cung cấp điện
Quản lý nhiệt tuân theo các nguyên tắc cơ bản của vật lý. Có ba cách dẫn nhiệt: bức xạ, dẫn truyền và đối lưu.
Đối với hầu hết các hệ thống điện tử, để đạt được khả năng làm mát cần thiết trước tiên phải để nhiệt rời khỏi nguồn nhiệt bằng cách dẫn, sau đó truyền nó đến những nơi khác bằng đối lưu.
Khi thực hiện thiết kế nhiệt, cần phải kết hợp nhiều phần cứng quản lý nhiệt khác nhau để đạt được hiệu quả dẫn truyền và đối lưu cần thiết.
Có 3 thành phần làm mát được sử dụng phổ biến nhất là tản nhiệt, ống dẫn nhiệt và quạt.
Bộ tản nhiệt và ống dẫn nhiệt là hệ thống làm mát thụ động không cần cấp điện, còn quạt là hệ thống làm mát bằng gió cưỡng bức chủ động.
Bộ tản nhiệt là một cấu trúc bằng nhôm hoặc đồng có thể thu nhiệt từ nguồn nhiệt thông qua quá trình dẫn và truyền nhiệt cho luồng không khí (trong một số trường hợp là đến nước hoặc các chất lỏng khác) để đạt được sự đối lưu.
Tản nhiệt có hàng nghìn kích cỡ và hình dạng, từ những cánh tản nhiệt nhỏ bằng kim loại được dập kết nối một bóng bán dẫn đến những khối đùn lớn có nhiều cánh tản nhiệt (ngón tay) có thể chặn dòng không khí đối lưu và truyền nhiệt sang nó.
Bộ tản nhiệt có ưu điểm là không có bộ phận chuyển động, chi phí vận hành, chế độ hỏng hóc, v.v.
Khi bộ tản nhiệt được kết nối với nguồn nhiệt, khi không khí ấm tăng lên, sự đối lưu sẽ tự nhiên xảy ra, do đó bắt đầu và tiếp tục tạo thành dòng không khí.
Mặc dù bộ tản nhiệt dễ sử dụng, nhưng có một số hạn chế:
Bộ tản nhiệt truyền nhiệt lớn thì lớn, tốn kém, nặng và phải đặt đúng vị trí sẽ ảnh hưởng hoặc hạn chế đến bố cục vật lý của bảng mạch;
Các cánh tản nhiệt có thể bị chặn bởi bụi trong luồng không khí, làm giảm hiệu quả;
Nó phải được kết nối đúng cách với nguồn nhiệt để nhiệt có thể truyền từ nguồn nhiệt đến bộ tản nhiệt một cách trơn tru.
Ống dẫn nhiệt
Nó là một thành phần quan trọng khác của bộ quản lý nhiệt, có thể truyền nhiệt từ điểm A đến điểm B mà không cần bất kỳ hình thức cơ chế cưỡng bức chủ động nào.
Nó chứa một lõi thiêu kết và một ống kim loại kín chứa chất lỏng hoạt động. Bản thân nó không hoạt động như một bộ tản nhiệt. Chức năng của nó là hấp thụ nhiệt từ nguồn nhiệt và truyền đến vùng lạnh hơn.
Ống dẫn nhiệt có thể được sử dụng khi không có đủ không gian gần nguồn nhiệt để đặt bộ tản nhiệt hoặc luồng gió không đủ. Ống dẫn nhiệt có hiệu suất làm việc cao và có thể truyền nhiệt từ nguồn đến nơi quản lý thuận tiện hơn.
Nguyên tắc làm việc của nó rất đơn giản và khéo léo:
Nguồn nhiệt biến chất lỏng công tác thành hơi trong ống kín, hơi nước truyền nhiệt cho đầu lạnh hơn của ống nhiệt. Ở phần cuối này, hơi ngưng tụ thành chất lỏng và giải phóng nhiệt, trong khi chất lỏng quay trở lại đầu nóng hơn.
Quá trình biến đổi khí-lỏng này diễn ra liên tục và chỉ được điều khiển bởi sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu nóng. Kết nối bộ tản nhiệt hoặc thiết bị làm mát khác ở đầu lạnh có thể giải quyết vấn đề tản nhiệt của các điểm nóng cục bộ nơi luồng không khí bị chặn.
Quạt
Đây là bước đầu tiên hướng tới tản nhiệt chủ động làm mát bằng gió cưỡng bức, ngoài bộ tản nhiệt thụ động và ống dẫn nhiệt, quạt cũng có những nhược điểm:
chi phí cao, cần không gian, tăng tiếng ồn hệ thống;
Dễ bị hỏng hóc, tiêu tốn năng lượng và ảnh hưởng đến hiệu quả của toàn bộ hệ thống
Nhưng trong nhiều trường hợp, đặc biệt là khi đường dẫn luồng không khí bị cong, thẳng đứng hoặc không trơn tru, chúng thường là cách duy nhất để có đủ luồng gió.
Thông số quan trọng xác định công suất của quạt là đơn vị chiều dài hoặc đơn vị thể tích tốc độ dòng khí mỗi phút.
Tuy nhiên, kích thước vật lý là một vấn đề: một chiếc quạt lớn với tốc độ quay thấp có thể tạo ra cùng một luồng gió như một chiếc quạt nhỏ với tốc độ quay cao, do đó sẽ có sự cân bằng giữa kích thước và tốc độ.
Mô hình hóa và mô phỏng toàn diện
Các hệ thống thụ động riêng biệt có kích thước lớn hơn, nhưng đáng tin cậy và hiệu quả hơn, đồng thời quạt có thể đóng một vai trò nào đó trong những trường hợp không thể sử dụng làm mát thụ động một mình.
Lựa chọn hệ thống nào để làm mát thường là một quyết định khó khăn.
Lúc này, cần xác định lượng không khí làm mát cần thiết và làm thế nào để đạt được khả năng làm mát thông qua mô hình hóa và mô phỏng, điều này rất cần thiết cho các chiến lược quản lý nhiệt hiệu quả.
Đối với mô hình thu nhỏ, nguồn nhiệt và đường dẫn dòng nhiệt của nó được đặc trưng bởi khả năng chịu nhiệt của chúng, và khả năng chịu nhiệt được xác định bởi vật liệu, chất lượng và kích thước được sử dụng.
Mô hình hóa cho thấy nhiệt chảy ra như thế nào từ nguồn nhiệt và cũng là bước đầu tiên để đánh giá các thành phần gây ra tai nạn nhiệt do tản nhiệt của chính chúng.
Ví dụ, các nhà cung cấp thiết bị như IC tản nhiệt cao, MOSFET và IGBT thường cung cấp các mô hình nhiệt có thể cung cấp chi tiết về đường dẫn nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt của thiết bị.
Khi đã biết tải nhiệt của từng thành phần, bước tiếp theo là lập mô hình ở cấp độ vĩ mô, vừa đơn giản vừa phức tạp:
Điều chỉnh kích thước của luồng không khí đi qua các nguồn nhiệt khác nhau để giữ nhiệt độ của nó dưới giới hạn cho phép; sử dụng nhiệt độ không khí, luồng không khí không cưỡng bức lưu lượng có sẵn, luồng không khí của quạt và các yếu tố khác để thực hiện các phép tính cơ bản để hiểu một cách đại khái về tình hình nhiệt độ.
Bước tiếp theo là sử dụng mô hình và vị trí của từng nguồn nhiệt, bo mạch PC, bề mặt vỏ và các yếu tố khác để thực hiện mô hình phức tạp hơn về toàn bộ sản phẩm và bao bì của nó.
Cuối cùng, mô hình hóa phải giải quyết hai vấn đề:
Vấn đề tiêu tán đỉnh và trung bình. Ví dụ, linh kiện ở trạng thái ổn định có công suất tản nhiệt liên tục là 1W và thiết bị có công suất tản nhiệt là 10W nhưng với chu kỳ làm việc không liên tục 10% có các hiệu ứng nhiệt khác nhau.
Có nghĩa là, sự tản nhiệt trung bình là như nhau, và khối lượng nhiệt và dòng nhiệt liên quan sẽ tạo ra sự phân bố nhiệt khác nhau. Hầu hết các ứng dụng CFD có thể kết hợp phân tích tĩnh và động.
Sự không hoàn hảo của kết nối vật lý giữa bề mặt của linh kiện và mô hình thu nhỏ, chẳng hạn như kết nối vật lý giữa phần trên cùng của gói IC và bộ tản nhiệt.
Nếu mối nối có khoảng cách nhỏ thì điện trở nhiệt của đường dẫn này sẽ tăng lên, khi đó cần phải lấp đầy bề mặt tiếp xúc bằng tấm tản nhiệt để tăng cường khả năng dẫn nhiệt của đường dẫn.
Quản lý nhiệt có thể làm giảm nhiệt độ của các bộ phận trong nguồn điện và môi trường bên trong, có thể kéo dài tuổi thọ sản phẩm và cải thiện độ tin cậy.
Nhưng quản lý nhiệt là một khái niệm tổng hợp, nếu được chia nhỏ đến từng chi tiết nhỏ, nó là một chủ đề rất lớn.
Nó liên quan đến sự đánh đổi của kích thước, công suất, hiệu quả, trọng lượng, độ tin cậy và chi phí. Mức độ ưu tiên và các ràng buộc của dự án phải được đánh giá.
