Nguyên tắc thiết kế nhiệt của nguồn điện chuyển mạch công suất cao
1. Tại sao các sản phẩm điện tử cần có giải pháp tản nhiệt
Chip của các sản phẩm điện tử có tính tích hợp cao, ngày càng có nhiều yêu cầu về chức năng và yêu cầu về khối lượng ngày càng nhỏ hơn. Các thành phần ngày nay đang phát triển nhanh chóng theo hướng thu nhỏ, chức năng cao và hiệu quả cao. Các thành phần hiệu suất cao sẽ tạo ra nhiều nhiệt ở tốc độ cao và lượng nhiệt này phải được loại bỏ ngay lập tức để đảm bảo rằng các thành phần có thể hoạt động ở nhiệt độ hoạt động bình thường. Hoạt động với hiệu quả cao nhất. Do đó, công nghệ liên quan đến dẫn nhiệt liên tục bị thách thức với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử.
2. Các loại vật liệu tản nhiệt:
Vàng, bạc, sắt, đồng, nhôm, hợp kim nhôm, tấm silicon, v.v.
3. Nguyên lý tản nhiệt
Hình thức tản nhiệt của bộ tản nhiệt A chủ yếu bao gồm bức xạ và đối lưu.
Truyền nhiệt bức xạ: nhiệt năng được truyền dưới dạng bức xạ, không qua bất kỳ phương tiện nào, có thể truyền trong trạng thái chân không, chẳng hạn như nhiệt năng của mặt trời được truyền đến trái đất thông qua vũ trụ.
Truyền nhiệt đối lưu: Năng lượng nhiệt được truyền qua không khí hoặc các phương tiện khác, chẳng hạn như bộ tản nhiệt đối lưu để làm nóng không khí. Không khí làm nóng mọi thứ trong phòng, chuyển động của không khí chủ yếu dựa vào chuyển động của không khí để truyền nhiệt năng.
Bộ tản nhiệt bức xạ theo nghĩa truyền thống đề cập đến bộ tản nhiệt chiếm một phần tương đối trong tổng lượng tản nhiệt. Hiện tại, bộ tản nhiệt bức xạ điển hình nhất là gang, bộ tản nhiệt cột thép và bộ tản nhiệt composite nhôm đồng. Và cứ như vậy, trong số đó, nhiệt năng do bức xạ truyền đi chỉ chiếm 30%, còn 70% nhiệt năng còn lại là do đối lưu truyền đi. Bộ tản nhiệt đối lưu là bộ tản nhiệt về cơ bản không có trao đổi nhiệt bức xạ (hoặc rất nhỏ), chẳng hạn như bộ tản nhiệt đối lưu ống đồng Fried. Nó nóng lên thoải mái hơn và nhanh hơn so với bộ tản nhiệt bức xạ.
B. Các phương pháp tản nhiệt bao gồm tản nhiệt bức xạ, tản nhiệt dẫn nhiệt, tản nhiệt đối lưu và tản nhiệt bay hơi.
Nhiệt được tạo ra bởi các mô và cơ quan khác nhau của cơ thể được phân bổ đều đến tất cả các bộ phận của cơ thể cùng với quá trình lưu thông máu. Khi máu chảy qua các mạch máu của da, 90 phần trăm tổng lượng nhiệt được tản ra bởi da, vì vậy da là bộ phận tản nhiệt chính của cơ thể. Ngoài ra còn có một phần nhỏ nhiệt được thải ra khỏi cơ thể qua phổi, thận và đường tiêu hóa cùng với hô hấp, nước tiểu và phân.
(1) Cách tản nhiệt - chủ yếu là cách vật lý
1. Bức xạ Bức xạ có nghĩa là cơ thể tản nhiệt bằng cách phát ra tia hồng ngoại. Khi nhiệt độ da cao hơn nhiệt độ môi trường, nhiệt của cơ thể bị tiêu tán bởi bức xạ. Tản nhiệt bức xạ liên quan đến các yếu tố như nhiệt độ da, nhiệt độ môi trường xung quanh và diện tích bức xạ hiệu quả của cơ thể. Nói chung, tản nhiệt bức xạ chiếm 40% tổng lượng tản nhiệt. Tất nhiên, nếu nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ da, cơ thể sẽ hấp thụ nhiệt bức xạ. Công nhân luyện thép làm việc trước lò, người nông dân làm việc ngoài đồng dưới cái nắng của mùa hè oi bức.
2. Dẫn nhiệt và đối lưu Dẫn nhiệt là cách cơ thể tản nhiệt bằng cách truyền động năng phân tử. Khi cơ thể con người tiếp xúc trực tiếp với những đồ vật có nhiệt độ mát hơn da (như quần áo, giường, ghế…), nhiệt sẽ truyền từ cơ thể sang những đồ vật này. Trên lâm sàng, việc sử dụng mũ băng, túi nước đá và các phương pháp khác để làm mát bệnh nhân bị sốt cao đều sử dụng nguyên tắc này.
C, sự trao đổi nhiệt giữa bộ tản nhiệt và môi trường
Sau khi nhiệt được truyền lên đỉnh của bộ tản nhiệt, cần phải tản nhiệt truyền ra môi trường xung quanh càng sớm càng tốt. Đối với bộ tản nhiệt làm mát bằng không khí, đó là trao đổi nhiệt với không khí xung quanh. Tại thời điểm này, nhiệt được truyền giữa hai môi trường khác nhau và công thức theo sau là Q= XAX ΔT, trong đó ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa hai môi trường, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ giữa bộ tản nhiệt và không khí xung quanh ; và là hiệu nhiệt độ của chất lỏng. Độ dẫn nhiệt, sau khi vật liệu tản nhiệt và thành phần không khí được xác định, nó là một giá trị cố định; quan trọng nhất A là diện tích tiếp xúc giữa tản nhiệt và không khí. Với tiền đề là các điều kiện khác không thay đổi, chẳng hạn như thể tích của bộ tản nhiệt, nhìn chung sẽ có. Tuy nhiên, bằng cách thay đổi hình dạng của bộ tản nhiệt, tăng diện tích tiếp xúc với không khí và tăng diện tích trao đổi nhiệt, đây là một giải pháp hiệu quả. có nghĩa là để cải thiện hiệu quả tản nhiệt. , Để đạt được điều này, diện tích bề mặt thường được tăng lên bằng cách thiết kế vây được bổ sung bằng cách làm nhám bề mặt hoặc ren.
Sau khi nhiệt được truyền vào không khí, nhiệt độ của không khí tiếp xúc với bộ tản nhiệt sẽ tăng lên nhanh chóng. Tại thời điểm này, không khí nóng nên lấy nhiệt càng nhiều càng tốt với không khí lạnh xung quanh thông qua trao đổi nhiệt như đối lưu. Đối với bộ tản nhiệt làm mát bằng không khí, phương tiện quan trọng nhất là tăng tốc độ luồng không khí và sử dụng quạt để đạt được sự đối lưu cưỡng bức. Điều này chủ yếu liên quan đến thiết kế của quạt và tốc độ gió. Hiệu quả của quạt tản nhiệt (chẳng hạn như lưu lượng, áp suất gió) chủ yếu phụ thuộc vào đường kính của cánh quạt, chiều dài trục, tốc độ của quạt và hình dạng của cánh quạt. Lưu lượng của quạt chủ yếu tính bằng CFM (hệ Imperial, feet khối/phút) và CFM là lưu lượng khoảng 0.028mm3/phút.
Tản nhiệt nhôm nguyên chất
Bộ tản nhiệt bằng nhôm nguyên chất là bộ tản nhiệt phổ biến nhất trong những ngày đầu. Quá trình sản xuất của nó là đơn giản và chi phí thấp. Cho đến nay, tản nhiệt bằng nhôm nguyên chất vẫn chiếm một phần đáng kể trên thị trường. Để tăng diện tích tản nhiệt của các lá tản nhiệt, phương pháp xử lý phổ biến nhất đối với bộ tản nhiệt bằng nhôm nguyên chất là công nghệ đùn nhôm và các chỉ số chính để đánh giá bộ tản nhiệt bằng nhôm nguyên chất là độ dày của đế tản nhiệt và tỷ lệ Pin-Fin. . Pin đề cập đến chiều cao của vây tản nhiệt và Fin đề cập đến khoảng cách giữa hai vây liền kề. Tỷ lệ Pin-Fin là chiều cao của Pin (không bao gồm độ dày của đế) chia cho Fin. Tỷ lệ Pin-Fin càng lớn, diện tích tản nhiệt hiệu quả của bộ tản nhiệt càng lớn và công nghệ đùn nhôm càng tiên tiến.
Bộ tản nhiệt bằng đồng nguyên chất
Độ dẫn nhiệt của đồng gấp 1,69 lần so với nhôm, do đó, với tiền đề là các điều kiện khác giống nhau, tản nhiệt bằng đồng nguyên chất có thể lấy nhiệt ra khỏi nguồn nhiệt nhanh hơn. Tuy nhiên, kết cấu của đồng là một vấn đề. Nhiều "bộ tản nhiệt bằng đồng nguyên chất" được quảng cáo không thực sự là 100% đồng. Trong danh sách đồng, những loại có hàm lượng đồng trên 99% được gọi là đồng không có axit và loại đồng tiếp theo là đồng Dan với hàm lượng đồng dưới 85%. Hầu hết các bộ tản nhiệt bằng đồng nguyên chất trên thị trường hiện có hàm lượng đồng nằm giữa hai loại này. Hàm lượng đồng của một số bộ tản nhiệt bằng đồng nguyên chất kém thậm chí không đến 85%. Mặc dù chi phí rất thấp, nhưng độ dẫn nhiệt của nó giảm đi rất nhiều, ảnh hưởng đến quá trình tản nhiệt. Ngoài ra, đồng cũng có những nhược điểm rõ ràng, chẳng hạn như chi phí cao, khó xử lý và khối lượng tản nhiệt quá lớn, cản trở việc áp dụng tản nhiệt hoàn toàn bằng đồng. Độ cứng của đồng đỏ không tốt bằng hợp kim nhôm AL6063 và hiệu suất của một số xử lý cơ học (chẳng hạn như tạo rãnh) không tốt bằng nhôm; điểm nóng chảy của đồng cao hơn nhiều so với nhôm, điều này không có lợi cho quá trình ép đùn (ExtrusiON), v.v.
Mặc dù vật liệu tản nhiệt được sử dụng phổ biến nhất là hợp kim đồng và nhôm, nhưng hợp kim nhôm dễ gia công và chi phí thấp, và là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất. Độ dẫn nhiệt cao hơn của đồng làm cho khả năng hấp thụ nhiệt tức thời của nó tốt hơn so với hợp kim nhôm. Tốc độ chậm hơn so với hợp kim nhôm. Do đó, bất kể bộ tản nhiệt bằng đồng nguyên chất, nhôm nguyên chất hay hợp kim nhôm đều có một lỗ hổng chết người: do chỉ sử dụng một loại vật liệu nên khả năng tản nhiệt cơ bản có thể đáp ứng nhu cầu tản nhiệt nhẹ nhưng không thể cân bằng tốt khả năng dẫn nhiệt. . Hai yêu cầu về công suất và nhiệt dung có phần bị lấn át trong những trường hợp yêu cầu về tản nhiệt cao.
Công nghệ liên kết đồng-nhôm
Sau khi xem xét những thiếu sót tương ứng của đồng và nhôm, một số bộ tản nhiệt cao cấp trên thị trường thường sử dụng quy trình sản xuất kết hợp đồng-nhôm. Các tản nhiệt này thường sử dụng đế kim loại đồng, trong khi cánh tản nhiệt làm từ hợp kim nhôm. Tất nhiên, ngoài đế đồng, còn có các phương pháp như sử dụng các trụ đồng để tản nhiệt, cũng là nguyên tắc tương tự. Với khả năng dẫn nhiệt cao, bề mặt đáy bằng đồng có thể nhanh chóng hấp thụ nhiệt do CPU tỏa ra; các lá nhôm có thể được tạo thành hình dạng thuận lợi nhất để tản nhiệt bằng các quy trình phức tạp, đồng thời cung cấp không gian lưu trữ nhiệt lớn và giải phóng nhiệt nhanh chóng. Một sự cân bằng đã được tìm thấy trong tất cả các khía cạnh.
Nhiệt lượng được tản từ lõi CPU ra bề mặt tản nhiệt, đây là một quá trình dẫn nhiệt. Đối với đế tản nhiệt, do tiếp xúc trực tiếp với diện tích nhỏ của nguồn nhiệt cao nên đòi hỏi đế tản nhiệt phải nhanh chóng tản nhiệt. Việc sử dụng vật liệu có độ dẫn nhiệt cao hơn cho tản nhiệt rất hữu ích để cải thiện khả năng dẫn nhiệt. Có thể thấy từ bảng so sánh hệ thống dẫn nhiệt, ví dụ, độ dẫn nhiệt của nhôm là 237W/mK và độ dẫn nhiệt của đồng là 401W/mK. So sánh các bộ tản nhiệt cùng thể tích, trọng lượng của đồng gấp 3 lần nhôm, trong khi nhiệt dung riêng của nhôm gấp 3 lần. Nó chỉ bằng 2,3 lần so với đồng nên với cùng một thể tích, bộ tản nhiệt bằng đồng có thể giữ nhiệt nhiều hơn bộ tản nhiệt bằng nhôm và nóng lên chậm hơn. Với cùng độ dày của đế tản nhiệt, đồng không chỉ có thể nhanh chóng loại bỏ nhiệt độ của các nguồn nhiệt như CPU Die, mà tốc độ tăng nhiệt độ của chính nó cũng chậm hơn so với tản nhiệt bằng nhôm. Do đó, đồng phù hợp hơn để làm bề mặt dưới của tản nhiệt.
Tuy nhiên, sự kết hợp của hai kim loại này tương đối khó khăn và ái lực giữa đồng và nhôm kém. cách nhiệt). Trong thiết kế và sản xuất thực tế, các nhà sản xuất luôn cố gắng giảm khả năng chịu nhiệt của giao diện càng nhiều càng tốt và tránh các điểm yếu, điều này thường phản ánh khả năng thiết kế và quy trình sản xuất của nhà sản xuất.
4. Môi trường nhiệt - silica gel dẫn nhiệt.
Một. Điện trở nhiệt là gì?
Cái gọi là "kháng nhiệt" (điện trở nhiệt) đề cập đến một thông số toàn diện phản ánh khả năng ngăn chặn sự truyền nhiệt. Khái niệm điện trở nhiệt rất giống với điện trở và đơn vị cũng tương tự - độ / W, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của đường dẫn nhiệt khi công suất truyền nhiệt liên tục của vật thể là 1W .
b. Điện trở nhiệt của không khí là lớn nhất trong tự nhiên và giá trị của nó gần bằng 0.03W/mK;
c. Lấp đầy khoảng trống giữa thân sưởi và tản nhiệt kim loại để giảm không khí, để thân sưởi và tản nhiệt thể hiện sự tản nhiệt đối lưu trực tiếp.
d. Tấm silicon dẫn nhiệt cũng có thể tản nhiệt gián tiếp, tức là nó lộ ra bên ngoài nên được gọi là tấm tản nhiệt.
Sinda Thermal là nhà sản xuất tản nhiệt hàng đầu, chúng tôi sở hữu một đội ngũ chuyên gia về nhiệt cùng nhiều cơ sở và thiết bị chính xác, chúng tôi có thể đưa ra báo giá cạnh tranh nhất và tản nhiệt chất lượng tuyệt vời. Vui lòng liên hệ với chúng tôi một cách tự do nếu bạn có bất kỳ yêu cầu về nhiệt nào.
