Catu daya menghasilkan panas selama operasi, dan kenaikan suhu yang terus menerus akan menyebabkan perubahan kinerja, yang pada akhirnya dapat menyebabkan kegagalan sistem; selain itu, panas juga akan memperpendek umur komponen dan mempengaruhi kehandalan jangka panjang.
Komponen penghasil panas, meskipun kenaikan suhu melebihi batas yang diizinkan, menyebabkan seluruh sistem memanas, tidak berarti bahwa seluruh sistem terlalu panas, tetapi kelebihan panas yang dihasilkan oleh komponen tersebut harus dibuang.
Jadi kemana perginya panas?
Buang ke lokasi yang lebih dingin, baik di dekat sistem dan casing, atau di luar casing (hanya mungkin jika bagian luar lebih dingin daripada bagian dalam).
Solusi Manajemen Termal
Manajemen termal mengikuti prinsip dasar fisika, dan ada tiga cara menghantarkan panas: radiasi, konduksi, dan konveksi.
Untuk sebagian besar sistem elektronik, pendinginan yang diperlukan dicapai dengan menghantarkan panas dari sumber panas dan kemudian memindahkannya ke tempat lain melalui konveksi.
Desain termal memerlukan kombinasi berbagai perangkat keras manajemen termal untuk mencapai konduksi dan konveksi yang diperlukan secara efisien.
Ada tiga elemen pendingin yang paling umum digunakan: unit pendingin, pipa panas, dan kipas.
Unit pendingin dan pipa panas adalah sistem pendingin pasif yang tidak memerlukan catu daya, sedangkan kipas adalah sistem pendingin udara paksa aktif.
peredam panas
Heat sink adalah struktur aluminium atau tembaga yang menangkap panas dari sumber panas dengan konduksi dan mentransfer panas ke aliran udara (dalam beberapa kasus, air atau cairan lain) untuk konveksi.
Berbagai jenis radiator
Heat sink tersedia dalam ribuan ukuran dan bentuk, mulai dari sirip logam bertanda kecil yang menghubungkan masing-masing transistor hingga ekstrusi besar dengan banyak sirip (jari) yang mencegat aliran udara konvektif dan mentransfer panas ke aliran udara tersebut.
Heatsink memiliki keuntungan karena tidak memiliki bagian yang bergerak, biaya pengoperasian, mode kegagalan, dan banyak lagi.
Setelah heat sink terhubung ke sumber panas, konveksi terjadi secara alami saat udara hangat naik, mulai dan terus menciptakan aliran udara.
Meskipun heat sink mudah digunakan, ada beberapa kekurangannya:
1. Heat sink yang mentransmisikan panas dalam jumlah besar berukuran besar, mahal, dan berat, dan harus ditempatkan dengan benar, yang akan memengaruhi atau membatasi tata letak fisik papan sirkuit;
2. Sirip dapat tersumbat oleh debu di aliran udara, sehingga mengurangi efisiensi;
3. Harus terhubung dengan baik ke sumber panas agar panas dapat mengalir dengan lancar dari sumber panas ke radiator.
Pipa panas
Ini adalah komponen penting lainnya dari kit manajemen termal, mentransfer panas dari titik A ke titik B tanpa bentuk mekanisme pemaksaan aktif apa pun.
Ini berisi inti yang disinter dan tabung logam tertutup dari fluida kerja yang tidak bertindak sebagai heat sink itu sendiri, melainkan menyerap panas dari sumber panas dan memindahkannya ke area yang lebih dingin.
Pipa panas dapat digunakan saat tidak ada cukup ruang untuk heat sink di dekat sumber panas atau saat aliran udara tidak mencukupi.
Pipa panas bekerja secara efisien dan mentransfer panas dari sumber ke lokasi yang lebih mudah dikelola.
prinsip bekerja:
Sumber panas mengubah fluida kerja menjadi uap di dalam tabung tertutup, dan uap membawa panas ke ujung pipa panas yang lebih dingin. Pada ujung ini, uap mengembun menjadi cairan dan melepaskan panas, dan cairan kembali ke ujung yang lebih panas.
Proses transisi keadaan gas-cair ini berjalan terus menerus dan hanya didorong oleh perbedaan suhu antara ujung dingin dan panas.
Menghubungkan unit pendingin atau perangkat pendingin lainnya di ujung dingin dapat mengatasi masalah pembuangan panas dari hot spot lokal di mana aliran udara terhalang.
penggemar
Ini adalah langkah pertama menuju perangkat pendingin aktif berpendingin udara paksa, membuang radiator pasif dan pipa panas, tetapi kipas juga memiliki sakit kepala sendiri:
1. Meningkatkan biaya, membutuhkan ruang, dan meningkatkan kebisingan sistem;
2. Rentan terhadap kegagalan, menghabiskan energi dan mempengaruhi efisiensi seluruh sistem.
Namun dalam banyak kasus, terutama ketika jalur aliran udara melengkung, vertikal, atau terhalang, seringkali itu satu-satunya cara untuk mendapatkan aliran udara yang memadai.
Parameter kunci yang menentukan kapasitas kipas adalah satuan panjang atau satuan aliran volume udara per menit.
Ukuran fisik menjadi masalah: kipas besar dengan kecepatan rendah dapat menghasilkan aliran udara yang sama dengan kipas kecil dengan kecepatan tinggi, jadi ada pertukaran ukuran-kecepatan.
Pemodelan dan Simulasi Komprehensif
Sistem pasif mandiri berukuran lebih besar tetapi lebih andal dan efisien, sedangkan kipas dapat berfungsi dalam situasi di mana pendinginan pasif saja tidak dapat digunakan.
Sistem mana yang dipilih untuk pendinginan seringkali bisa menjadi keputusan yang sulit.
Di sinilah pemodelan dan simulasi diperlukan untuk menentukan berapa banyak pendinginan yang dibutuhkan dan bagaimana mencapainya, yang sangat penting untuk strategi manajemen termal yang efisien.
Untuk model miniatur, sumber panas dan jalurnya untuk aliran panas dicirikan oleh ketahanan termalnya, yang ditentukan oleh material, massa, dan ukuran yang digunakan.
Pemodelan yang menunjukkan bagaimana panas mengalir dari sumber panas juga merupakan langkah pertama dalam mengevaluasi komponen yang menyebabkan kegagalan termal akibat pembuangan panasnya sendiri.
Pemasok perangkat seperti IC pembuangan panas tinggi, MOSFET, dan IGBT sering menyediakan model termal yang memberikan detail jalur termal dari sumber panas ke permukaan perangkat.
Setelah beban termal dari berbagai komponen diketahui, langkah selanjutnya adalah memodelkan pada tingkat makro, yang sederhana dan kompleks:
Aliran udara dari berbagai sumber panas disesuaikan ukurannya untuk menjaga suhunya di bawah batas yang diperbolehkan; perhitungan dasar dilakukan dengan menggunakan suhu udara, aliran udara tanpa paksa yang tersedia, aliran udara kipas, dan faktor lain untuk mendapatkan gambaran kasar tentang kondisi suhu.
Berikutnya adalah pemodelan yang lebih kompleks dari keseluruhan produk dan pengemasannya menggunakan model dan lokasi masing-masing sumber panas, papan PC, permukaan casing, dan faktor lainnya.
Akhirnya, pemodelan harus memecahkan dua masalah:
1. Masalah disipasi puncak dan rata-rata. Misalnya komponen kondisi stabil yang menghilangkan panas 1W secara terus menerus memiliki dampak termal yang berbeda dari perangkat yang menghilangkan panas 10W tetapi memiliki siklus kerja intermiten 10 persen.
Ini berarti bahwa disipasi panas rata-rata adalah sama, dan massa termal serta aliran panas yang terkait akan menghasilkan distribusi panas yang berbeda. Sebagian besar aplikasi CFD dapat dianalisis dengan kombinasi statis dan dinamis.
2. Ketidaksempurnaan koneksi fisik antara komponen dan permukaan mikromodel, seperti koneksi fisik antara bagian atas paket IC dan heat sink.
Jika koneksi memiliki pitch kecil, resistansi termal jalur ini akan meningkat, dan bantalan termal harus diisi pada permukaan kontak untuk meningkatkan konduktivitas termal jalur.
Manajemen termal dapat mengurangi suhu komponen catu daya dan lingkungan internal, yang dapat memperpanjang masa pakai produk dan meningkatkan keandalan.
