Как оптимизировать температурный режим электронных устройств

Введение:

Все устройства работают, вырабатывая тепло как побочный продукт. Чтобы эти устройства не перегревались, требуется терморегулирование. Эффективность устройства обратно пропорциональна температуре. Впоследствии высокопроизводительные компоненты выделяют тепло, которое может сократить срок службы устройства и снизить эффективность. Следовательно, нам необходимо контролировать температуру, отводя выделяемое тепло от этих устройств.

Со временем наши устройства стали меньше, но их функциональность увеличилась. Это привело к более быстрой обработке и, как следствие, большему выделению тепла при повышенном энергопотреблении. Точно так же орудия также миниатюризированы для рассеивания тепла и могут стать проблемой для инженеров. Как правило, тепловыделение должно быть пропорционально рассеиваемой мощности в соответствии с уравнением мощности. Три основные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры при управлении рассеиваемой мощностью, включают высокую плотность печатных плат, повышенную плотность интегральных схем, а также размеры и мобильность устройств.

Некоторые компоненты выделяют мало тепла, в то время как другие устройства выделяют относительно больше тепла. Поэтому необходимо принимать меры для продления их срока службы и надежности. Обычно изолированные электрические компоненты, производящие тепло, будут делать это до тех пор, пока тепло, выделяемое внутри устройства, не станет равным теплу, теряемому в окружающую среду, и устройство не достигнет равновесия. Тепло обычно выделяется из-за сопротивления потоку электронов в материале. Чем меньше сопротивление, тем больше проводимость и меньше тепла. Это подтверждается законом Джоуля H=I2Rt.

Управление температурным режимом в устройствах:

Управление теплом — важная часть электронного дизайна. Для обеспечения эффективности и точности компонентов и горячих точек системы избыточное тепло должно отводиться от них. Инженеры могут использовать интеллектуальный тепловой расчет для уменьшения ошибок, связанных с перегревом. Существуют три строгие движущие силы, предъявляющие требования к материалам для терморегуляции.

Во-первых, чтобы повысить скорость, разработчики сжали ядро ​​микропроцессора до меньших размеров. Это дает нам более высокое тепловыделение на единицу площади. В результате падение температуры, вызванное проводимостью внутри микропроцессора и распределителя тепла, становится сравнимым с максимально допустимым падением температуры. Во-вторых, увеличивается нагрев межсоединения между транзисторами. Это происходит из-за увеличения количества металлических слоев и увеличения плотности тока между межсоединениями. В-третьих, наблюдается рост температуры в современных и планируемых транзисторных технологиях. Уменьшение размеров канала приводит к увеличению плотности мощности и электрон-фононной неравновесности внутри устройств. Это создает проблемы для исследований в области материалов и физики твердого тела.

Охлаждение электроники:

Согласно закону охлаждения Ньютона скорость потери тепла пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой. С повышением температуры тела увеличивается и потеря тепла. Когда скорость потери тепла находится в равновесии со скоростью производства тепла, устройство достигает своей равновесной температуры. Эта температура может сократить срок службы компонентов, поэтому необходимо принять определенные меры для управления температурным режимом.

Один из способов контроля температуры в цепях или устройствах – увеличить поток воздуха за счет вентиляции. Это приведет к более низким рабочим температурам. Кроме того, имейте в виду, что пониженная плотность атмосферы на больших высотах приводит к менее эффективной передаче тепла в окружающую среду и более высоким рабочим температурам. Существует несколько способов охлаждения устройств, таких как радиаторы, термоэлектрические охладители, воздушные системы, вентиляторы и т. д. 

1. Радиаторы

Потери тепла происходят на поверхности компонентов и увеличиваются с увеличением площади поверхности. Одним из способов снижения рабочей температуры является увеличение площади поверхности. Это достигается путем прикрепления металлического радиатора к устройству. Радиатор обычно является хорошим проводником тепла, например медь, алюминий и т. д. Радиаторы более эффективны, если все устройство хорошо вентилируется. Обычно, когда радиаторы и компоненты соприкасаются, между ними на поверхности остается небольшой воздушный зазор. Воздух является плохим проводником тепла, поэтому он ограничивает потери тепла от устройства. Чтобы преодолеть этот эффект, используются теплоносители.

2:Распределители тепла

Распределители тепла также используются в качестве охлаждающих устройств. Они представляют собой теплопроводные металлические пластины или фольгу, используемые для распределения тепла по более широкой площади. Он используется в качестве промежуточного теплового интерфейса между источником тепла и вторичным теплообменником (радиатором и т. д.). Теплоотвод может применяться в качестве подложки для печатных плат с тепловыделяющими компонентами. Тепловые переходы используются в качестве тепловых каналов между распределителем тепла и корпусами компонентов для улучшения теплового потока.

3:Тепловые трубки

Тепловые трубы представляют собой герметичные полые трубы, содержащие жидкость или хладагент. Один конец присоединен к источнику тепла, а другой конец к вторичному теплообменнику (например, к радиатору). Вырабатываемое тепло кипит жидкость на одном конце, которая перемещается к более холодному концу, где пары конденсируются и возвращаются обратно к нагретому концу. Обычно они изготавливаются из проводящего металла и подходят для конструкций с ограниченным пространством.

4. Материалы термоинтерфейса

Это теплопроводные предварительно изготовленные материалы, которые доступны в различных формах (прокладки, клеи, гели и т. д.). Они предназначены для заполнения воздушных зазоров между контактными поверхностями. В результате для теплопередачи используется максимальная площадь поверхности, а рабочая температура снижается. Теплообменные соединения могут быть многих типов. Компания Electrolubes производит теплопроводящие пасты, состоящие из минеральных наполнителей в жидкости-носителе (которая может быть не на основе силикона или на основе силикона). Пасты на основе силикона имеют более высокие рабочие температуры, чем пасты без силикона. Важно, чтобы при использовании теплопроводного материала поверхность раздела между устройством и радиатором была полностью заполнена.

5:принудительная подача воздуха

Нагнетание воздуха — еще один распространенный метод охлаждения. Это можно сделать с помощью вентилятора или воздуходувки для увеличения потока воздуха над тепловыделяющим компонентом. Это увеличивает поток нагретого воздуха от радиатора и может улучшить рассеивание тепла. Можно использовать вентиляторы различных размеров, а их размещение можно оптимизировать для улучшения направления потока.

6. Твердотельные тепловые насосы

Также известные как ТЭО (термоэлектрические охладители), это тонкие и компактные полупроводниковые устройства, которые размещаются между источником тепла и радиатором для улучшения рассеивания тепла. К ТЭП прикладывается напряжение, которое создает разницу температур между двумя сторонами устройства и обеспечивает передачу тепла за счет теплопроводности. Хотя они не очень эффективны, они отводят большое количество тепла и имеют более длительный срок службы. Кроме того, когда ток меняется на противоположное, поток теплопередачи меняется на противоположное, что превращает устройство в нагреватель и может оказаться идеальным для применений в области контроля температуры.