Може ли един радиатор да охлажда безопасно няколко захранващи компонента?

Притеснявали ли сте се някога, че една захранваща платка с множество горещи части може да изгори, защото охлаждането е неправилно?

Да - един радиатор може да безопасно охлаждане на множество захранващи компоненти - ако топлинният път, бюджетът за захранване, електрическата изолация и оформлението са проектирани правилно.

В останалата част на тази статия ще ви разкажа какво означава “многокомпонентно управление на топлината”, защо общите радиатори носят ползи, как можете да проектирате такъв и какви тенденции в модулното охлаждане трябва да наблюдавате. Нека се потопим в темата.

Какво представлява многокомпонентното управление на топлината?

Представете си, че на една платка има три транзистора, диоден мост и регулатор. Всички те генерират топлина.

Многокомпонентното управление на топлината означава управление на топлината от няколко устройства заедно, като се проектира как си взаимодействат техните индивидуални топлинни натоварвания, трасета на топлинните потоци и охладителна инфраструктура.

Когато казвам “многокомпонентно управление на топлината”, имам предвид сценарий, при който на една и съща платка или сглобка е монтиран повече от един компонент, генериращ топлина, и тяхното охлаждане трябва да се проектира колективно, а не поотделно. Тази концепция поражда няколко ключови предизвикателства и възможности:

Основни аспекти, които трябва да се вземат предвид

• Източници на топлина: Всеки компонент (MOSFET, IGBT, диод, регулатор) има своя собствена крива на разсейване на мощност. Общата топлина, която трябва да се управлява, е сумата от всички отделни устройства (при най-лоши или типични условия).
• Топлинно свързване: Когато няколко компонента ползват общ радиатор или обща термична основа, топлината от едно устройство може да повиши локалната температура на радиатора, което от своя страна се отразява на другите устройства.
• Електрическа изолация: Много захранващи устройства имат раздели или монтажни фланци, които са електрически активни. Ако монтирате няколко устройства върху общ радиатор, трябва да проверите дали монтажните им табове са свързани с различни потенциали. Ако това е така, може да се нуждаете от изолация (като слюдена подложка или керамичен изолатор), която добавя топлинно съпротивление.
• Оразмеряване на топлинния път и мивката: Трябва да се изчисли необходимото термично съпротивление на радиатора от комбинираното разсейване на топлина, максимално допустимата температура на корпуса на устройството или на съединението на устройството, условията на околната среда и конвекцията на въздуха/околната среда.
• Разполагане и оформление: Разположението на устройствата върху радиатора е от значение. Ако устройствата са отдалечени едно от друго, радиаторът може да не разпределя добре топлината или да възникнат механични напрежения (диференциално разширение).
• Надеждност и термични взаимодействия: Ако едно устройство внезапно увеличи разсейването си (например поради промяна на товара или повреда), общият поглътител трябва да поеме не само постоянните, но и преходните товари. Също така топлинното изчерпване на едно устройство може да повлияе на съседните, ако радиаторът не може да изолира или разпредели топлината в достатъчна степен.

Накратко, многокомпонентното управление на топлината е свързано с проектиране на цялата топлинна екосистема на комплекта части - генериране на топлина, проводимост, разпространение, конвекция или принудително охлаждане и надеждност на устройството - вместо да се разглежда всеки компонент поотделно. То изисква координация на електрическите, топлинните, механичните и производствените ограничения.

Какви са предимствата на общите радиатори?

Когато разполагате с няколко горещи устройства, използването на отделни мивки може да отнеме място на платката и да увеличи разходите.

Споделените радиатори предлагат по-ниска цена, по-просто сглобяване, по-добро термично съответствие и по-добро използване на обема в сравнение с многото независими радиатори.

Ето един по-задълбочен поглед върху предимствата на използването на общ радиатор за няколко захранващи компонента:

1. Спестяване на разходи и материали

Използването на една голяма мивка вместо няколко по-малки спестява материал (метал, повърхностно покритие), намалява броя на обработените или екструдирани части и опростява инвентара. По-малкият брой части също така намалява времето за сглобяване и скрепителните елементи.

2. Подобрено топлинно свързване и балансиране

Ако устройствата са монтирани близо и имат една и съща термична основа, температурите им могат да се проследяват по-равномерно. При проекти, при които се изисква съвпадение на устройствата, общият радиатор помага за поддържане на сходни температури в корпуса (термично съвпадение), което може да подобри производителността.

3. Ефективно използване на пространството и въздушния поток

Един радиатор може да бъде разположен така, че да се оптимизира въздушният поток, и може да бъде оразмерен така, че да се оптимизира разстоянието между ребрата, дължината на ребрата, дебелината на основата и т.н. При независими малки радиатори всеки от тях може да има неефективен въздушен поток или неефективен дизайн на ребрата.

4. Опростена механична интеграция

Монтирането на устройствата към една мивка опростява механичното подравняване, скрепителните елементи и монтажа на платката. Една основна плоча може да има монтажни отвори и зона за термичен интерфейс, вместо няколко модула.

5. Топлинен резерв и марж

Тъй като споделеният радиатор може да бъде по-голям и по-добре конструиран (напр. по-голяма повърхност, по-голяма плътност на ребрата, по-добра проводимост), може да имате по-голям резерв за пикови натоварвания или бъдещи подобрения.

Таблица: Обобщение на съотношението между ползите и компромисите

Как мога да проектирам радиатор за няколко устройства?

Проектирането на общ радиатор означава, че трябва да съберете данни, да изчислите комбинираните натоварвания и да изберете внимателно геометрията.

Проектирането включва изчисляване на общата разсейвана мощност, избор на геометрия на основата и ребрата с подходящо термично съпротивление, осигуряване на подходящ монтаж и изолация на устройството и проверка чрез симулация или измерване.

Тук ще разгледам стъпка по стъпка подхода, който използвам за проектиране на радиатор за множество захранващи компоненти.

Стъпка 1: Събиране на данни за устройството

Трябва да събирате:

• Разсейване на мощност на всеки компонент
• Максимални температури на корпуса/съединението
• Конфигурация на електрическия раздел
• Механичен отпечатък

Стъпка 2: Оценка на комбинираната мощност и необходимото съпротивление

Използвайте тази формула:

[
Rθ{sa} = \frac{T{max} - T{амбиент}}{P{общо}}
]

Стъпка 3: Изберете геометрия на мивката

• Използване на материали с висока топлопроводимост
• Изберете подходяща плътност и размер на перките
• Осигуряване на добър въздушен поток
• Прилагане на повърхностни обработки за подобряване на топлинното излъчване

Стъпка 4: Планиране на оформлението

• Поставете устройствата близо едно до друго
• Избягвайте голямото разстояние между тях
• Осигурете плоска монтажна повърхност
• Използвайте TIM правилно
• Предотвратяване на механичен стрес

Стъпка 5: Прилагане на електрическа изолация

• Ако устройствата са с различни напрежения, използвайте слюдени или керамични подложки
• Проверете дали изолацията не добавя твърде много топлинно съпротивление

Стъпка 6: Извършване на тестове

• Използване на инструменти за симулация, ако има такива
• Създаване на прототип и измерване на температурата на корпуса
• Добавяне на резерв за прах, стареене, промени във въздушния поток

Примерна таблица:

Какви са тенденциите при модулните решения за охлаждане?

Изискванията за охлаждане нарастват с увеличаването на плътността на мощността, така че модулните системи за охлаждане стават все по-разпространени.

Тенденциите включват модулни блокове за радиатори, които се прикрепят към множество устройства, модули с ребра с възможност за преконфигуриране, блокове с течно охлаждане и стандартизирани интерфейси за “охлаждащи касети” за различни варианти на платките.

Ето някои от основните тенденции в модулното охлаждане:

Модулни базови плочи

Стандартните екструдирани блокове с определени монтажни отвори позволяват повторна употреба при различни устройства.

Конфигурируеми модули за перки

Прикрепените ребра позволяват мащабируемо охлаждане. Някои системи добавят вентилатори за по-високи топлинни натоварвания.

Течно охлаждане

Студените плочи и топлинните тръби стават все по-популярни в плътните системи.

Термокасети с възможност за включване и пускане

Стандартните модули поддържат ъпгрейди и опростяват обслужването и подмяната.

Цифров дизайн

Симулационните модели на охлаждащите модули са вградени в инструментите за проектиране, което ускорява тестването на ниво система.

Устойчивост

Модулите намаляват отпадъците и позволяват повторна употреба на различни поколения продукти.

Заключение

В обобщение, един радиатор може безопасно да охлажда няколко компонента, ако се справите правилно с оформлението, захранването, изолацията и геометрията. Споделените радиатори предлагат реални ползи по отношение на разходите и производителността. Модулните тенденции в охлаждането улесняват мащабирането и обслужването на сложни системи.