يولد مصدر الطاقة حرارة أثناء التشغيل ، وسيؤدي الارتفاع المستمر في درجة الحرارة إلى تغيرات في الأداء ، مما قد يؤدي في النهاية إلى فشل النظام ؛ بالإضافة إلى ذلك ، ستعمل الحرارة أيضًا على تقصير عمر المكونات وتؤثر على الموثوقية على المدى الطويل.
المكون المولِّد للحرارة ، حتى لو تجاوز ارتفاع درجة الحرارة الحد المسموح به ، يتسبب في ارتفاع درجة حرارة النظام بأكمله ، ولا يعني ذلك بالضرورة أن النظام بأكمله محموم ، ولكن يجب تبديد الحرارة الزائدة الناتجة عن المكون.
إذن أين تذهب الحرارة؟
تبدد إلى مكان أكثر برودة ، إما بجوار النظام والحالة ، أو خارج العلبة (ممكن فقط إذا كان الخارج أكثر برودة من الداخل).
حلول الإدارة الحرارية
تتبع الإدارة الحرارية المبادئ الأساسية للفيزياء ، وهناك ثلاث طرق لتوصيل الحرارة: الإشعاع والتوصيل والحمل الحراري.
بالنسبة لمعظم الأنظمة الإلكترونية ، يتم تحقيق التبريد المطلوب عن طريق توصيل الحرارة بعيدًا عن مصدر الحرارة ثم نقلها إلى مكان آخر عن طريق الحمل الحراري.
يتطلب التصميم الحراري مجموعة من أجهزة الإدارة الحرارية المختلفة لتحقيق التوصيل والحمل الحراري المطلوبين بكفاءة.
هناك ثلاثة عناصر تبريد شائعة الاستخدام: أحواض الحرارة وأنابيب الحرارة والمراوح.
إن أحواض الحرارة وأنابيب الحرارة عبارة عن أنظمة تبريد سلبية لا تتطلب مصدر طاقة ، بينما المراوح عبارة عن نظام تبريد هوائي قسري نشط.
تقليل الحرارة
المشتت الحراري عبارة عن هيكل من الألومنيوم أو النحاس يلتقط الحرارة من مصدر الحرارة عن طريق التوصيل ونقل الحرارة إلى تدفق الهواء (في بعض الحالات ، الماء أو سوائل أخرى) من أجل الحمل الحراري.
أنواع مختلفة من المشعات
تأتي أحواض الحرارة بآلاف الأحجام والأشكال ، من الزعانف المعدنية المختومة الصغيرة التي تربط الترانزستورات الفردية إلى البثق الكبير مع العديد من الزعانف (الأصابع) التي تعترض تدفق الهواء الحراري وتنقل الحرارة إلى تدفق الهواء هذا.
تتميز خافضات الحرارة بعدم وجود أجزاء متحركة وتكاليف التشغيل وأنماط الفشل والمزيد.
بمجرد توصيل المشتت الحراري بمصدر الحرارة ، يحدث الحمل الحراري بشكل طبيعي مع ارتفاع الهواء الدافئ ، ويبدأ ويستمر في خلق تدفق الهواء.
على الرغم من سهولة استخدام المشتتات الحرارية ، إلا أن هناك بعض العيوب:
1. إن أحواض الحرارة التي تنقل كميات كبيرة من الحرارة ضخمة ، ومكلفة ، وثقيلة ، ويجب وضعها بشكل صحيح ، مما سيؤثر أو يحد من التصميم المادي للوحة الدائرة ؛
2. قد يتم سد الزعانف بواسطة الغبار في تدفق الهواء ، مما يقلل من الكفاءة.
3. يجب توصيله بشكل صحيح بمصدر الحرارة بحيث يمكن للحرارة أن تتدفق بسلاسة من مصدر الحرارة إلى المبرد.
أنبوب الحرارة
إنه مكون مهم آخر لمجموعة الإدارة الحرارية ، حيث ينقل الحرارة من النقطة أ إلى النقطة ب دون أي شكل من أشكال آلية التأثير النشطة.
يحتوي على قلب متكلس وأنبوب معدني محكم من سائل عامل لا يعمل كمشتت للحرارة في حد ذاته ، بل يمتص الحرارة من مصدر الحرارة وينقلها إلى منطقة أكثر برودة.
يمكن استخدام أنابيب الحرارة عندما لا توجد مساحة كافية لحوض حرارة بالقرب من مصدر الحرارة أو عندما يكون تدفق الهواء غير كافٍ.
تعمل الأنابيب الحرارية بكفاءة وتنقل الحرارة من المصدر إلى مكان يسهل التحكم فيه.
مبدأ العمل:
يحول مصدر الحرارة سائل العمل إلى بخار داخل الأنبوب المحكم ، ويحمل البخار الحرارة إلى الطرف الأكثر برودة لأنبوب الحرارة. في هذه النهاية ، يتكثف البخار في سائل ويطلق الحرارة ، ويعود السائل إلى الطرف الأكثر سخونة.
تعمل عملية انتقال الحالة الغازية إلى السائل هذه بشكل مستمر ولا يتم دفعها إلا من خلال اختلاف درجة الحرارة بين الأطراف الباردة والساخنة.
يمكن أن يؤدي توصيل المشتت الحراري أو أي جهاز تبريد آخر على الطرف البارد إلى حل مشكلة تبديد الحرارة من النقاط الساخنة الموضعية حيث يتم حظر تدفق الهواء.
معجب
إنها الخطوة الأولى نحو جهاز التبريد النشط المبرد بالهواء القسري ، والتخلي عن المشعات السلبية وأنابيب الحرارة ، ولكن المراوح لديها أيضًا مشكلات خاصة بها:
1. زيادة التكلفة ، تتطلب مساحة ، وزيادة ضوضاء النظام ؛
2. إنها عرضة للفشل ، وتستهلك الطاقة وتؤثر على كفاءة النظام بأكمله.
ولكن في كثير من الحالات ، خاصةً عندما يكون مسار تدفق الهواء منحنيًا أو رأسيًا أو مسدودًا ، فغالبًا ما تكون هي الطريقة الوحيدة للحصول على تدفق هواء مناسب.
المعلمة الرئيسية التي تحدد سعة المروحة هي طول الوحدة أو وحدة تدفق الهواء في الدقيقة.
يمثل الحجم المادي مشكلة على الرغم من ذلك: يمكن أن تنتج مروحة كبيرة بسرعة منخفضة نفس تدفق الهواء مثل مروحة صغيرة بسرعة عالية ، لذلك هناك مقايضة بين الحجم والسرعة.
النمذجة والمحاكاة الشاملة
الأنظمة المنفعلة المستقلة أكبر حجمًا ولكنها أكثر موثوقية وفعالية ، بينما يمكن للمراوح أن تعمل في المواقف التي لا يمكن فيها استخدام التبريد السلبي وحده.
غالبًا ما يكون اختيار أي نظام للتبريد قرارًا صعبًا.
هذا هو المكان الذي تحتاج فيه النمذجة والمحاكاة لتحديد مقدار التبريد المطلوب وكيفية تحقيقه ، وهو أمر بالغ الأهمية لاستراتيجية إدارة حرارية فعالة.
بالنسبة للنماذج المصغرة ، تتميز مصادر الحرارة ومساراتها لتدفق الحرارة بمقاومتها الحرارية ، والتي تحددها المادة والكتلة والحجم المستخدم.
النمذجة التي توضح كيفية تدفق الحرارة من مصدر الحرارة هي أيضًا الخطوة الأولى في تقييم المكونات التي تسبب فشلًا حراريًا بسبب تبديد الحرارة الخاص بها.
غالبًا ما يوفر موردو الأجهزة مثل الدوائر المتكاملة التي تشتت الحرارة العالية و MOSFETs و IGBT نماذج حرارية توفر تفاصيل المسار الحراري من مصدر الحرارة إلى سطح الجهاز.
بمجرد معرفة الأحمال الحرارية للمكونات المختلفة ، فإن الخطوة التالية هي التصميم على المستوى الكلي ، وهو أمر بسيط بقدر ما هو معقد:
يتم ضبط حجم تدفق الهواء من مصادر الحرارة المختلفة للحفاظ على درجة حرارته أقل من الحدود المسموح بها ؛ يتم إجراء الحسابات الأساسية باستخدام درجة حرارة الهواء ، وتدفق الهواء غير القسري المتاح ، وتدفق هواء المروحة ، وعوامل أخرى للحصول على فكرة تقريبية عن ظروف درجة الحرارة.
يأتي بعد ذلك نمذجة أكثر تعقيدًا للمنتج بأكمله وتعبئته باستخدام طراز وموقع كل مصدر حرارة ، ولوحة الكمبيوتر الشخصي ، وسطح العلبة ، وعوامل أخرى.
أخيرًا ، يجب أن تحل النمذجة مشكلتين:
1. مشكلة الذروة ومتوسط التبديد. على سبيل المثال ، يكون لمكون الحالة المستقرة الذي يبدد 1 واط من الحرارة بشكل مستمر تأثير حراري مختلف عن الجهاز الذي يبدد 10 واط من الحرارة ولكن لديه دورة تشغيل متقطعة بنسبة 10 بالمائة.
هذا يعني أن متوسط تبديد الحرارة هو نفسه ، والكتلة الحرارية المصاحبة وتدفق الحرارة ستنتج توزيعات حرارة مختلفة. يمكن تحليل معظم تطبيقات CFD بمزيج من الثابت والديناميكي.
2. عيوب في الوصلات الفيزيائية بين المكونات وأسطح النماذج الصغيرة ، مثل الاتصال المادي بين الجزء العلوي من عبوة IC والمشتت الحراري.
إذا كانت الوصلة ذات ميل صغير ، فستزداد المقاومة الحرارية لهذا المسار ، ومن الضروري ملء الوسادة الحرارية على سطح التلامس لتعزيز التوصيل الحراري للمسار.
يمكن للإدارة الحرارية أن تقلل درجة حرارة المكونات في مصدر الطاقة والبيئة الداخلية ، مما يمكن أن يطيل عمر خدمة المنتج ويحسن الموثوقية.
