Como otimizar o gerenciamento térmico de dispositivos eletrônicos

Introdução:

Todos os dispositivos funcionam gerando calor como subproduto. Para evitar o superaquecimento desses dispositivos, é necessário o gerenciamento térmico. A eficiência de um dispositivo é inversamente proporcional à temperatura. Posteriormente, componentes de alto desempenho geram calor que pode reduzir a vida útil do dispositivo e reduzir a eficiência. Portanto, precisamos manter a temperatura sob controle removendo o calor gerado por esses dispositivos.

Com o tempo, nossos dispositivos ficaram menores, mas com maior funcionalidade. Isso levou a um processamento mais rápido e, como resultado, a mais geração de calor com maior consumo de energia. Da mesma forma, os implementos também são miniaturizados para dispersar o calor e podem se tornar um desafio para os engenheiros. Geralmente, a dissipação de calor deve ser proporcional à dissipação de potência, de acordo com a equação de potência. Os três principais problemas que os engenheiros enfrentam no gerenciamento da dissipação de energia incluem os PCBs densos, o aumento da densidade dos chips IC e os tamanhos e a mobilidade dos dispositivos.

Alguns componentes produzem baixas quantidades de calor, enquanto outros dispositivos produzem quantidades relativamente maiores de calor. Portanto, medidas devem ser tomadas para prolongar sua vida útil e confiabilidade. Normalmente, os componentes elétricos isolados que produzem calor o farão até que o calor produzido dentro do dispositivo se torne igual ao calor perdido para o ambiente e o dispositivo atinja o equilíbrio. O calor geralmente é gerado devido à resistência ao fluxo de elétrons no material. Abaixe a resistência, maior é a condutividade e menor calor é gerado. Isso é comprovado pela lei de Joule H=I2Rt.

Gerenciamento térmico em dispositivos:

O gerenciamento de calor é uma parte importante do design eletrônico. Para garantir a eficiência e precisão dos componentes e pontos quentes do sistema, o excesso de calor deve ser transportado para longe deles. Os engenheiros podem usar o design térmico inteligente para reduzir erros relacionados ao calor. Existem três forças motrizes estritas que exigem materiais para gerenciamento térmico.

Primeiro, para melhorar a velocidade, os projetistas compactaram o núcleo dos microprocessadores para tamanhos menores. Isso nos dá maiores gerações de calor por unidade de área. Como resultado, a queda de temperatura causada pela condução dentro do microprocessador e do dissipador de calor torna-se comparável à queda de temperatura máxima permitida. Em segundo lugar, há um aumento no aumento de temperatura na interconexão entre os transistores. Isso se deve ao aumento das camadas de metal e ao aumento das densidades de corrente entre as interconexões. Terceiro, há um aumento no aumento da temperatura dentro das tecnologias de transistores contemporâneas e planejadas. Uma diminuição nas dimensões do canal leva ao aumento da densidade de potência e ao desequilíbrio elétron-fônon dentro dos dispositivos. Estes representam desafios para a pesquisa em materiais e física do estado sólido.

Resfriamento de eletrônicos:

De acordo com a lei de resfriamento de Newton, a taxa de perda de calor é proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seus arredores. À medida que a temperatura do corpo aumenta, também aumenta a perda de calor. Quando a taxa de perda de calor está em equilíbrio com a taxa de calor produzida, o dispositivo atinge sua temperatura de equilíbrio. Esta temperatura pode reduzir a vida útil dos componentes e certas medidas devem ser tomadas para o gerenciamento térmico.

Uma forma de controlar a temperatura em circuitos ou dispositivos é aumentar o fluxo de ar através da ventilação. Isso resultará em temperaturas de operação mais baixas. Além disso, lembre-se de que a densidade atmosférica reduzida em altitudes mais altas resulta em uma transferência de calor menos eficaz para o ambiente e em temperaturas operacionais mais altas. Existem várias maneiras de resfriar dispositivos, como dissipadores de calor, resfriadores termoelétricos, sistemas de ar e ventiladores, etc.

1:Dissipadores de calor

A perda de calor ocorre na superfície dos componentes e aumenta com o aumento da área da superfície. Uma maneira de reduzir a temperatura de operação é aumentando a área de superfície. Isso é feito anexando um dissipador de calor de metal ao dispositivo. O dissipador de calor geralmente é um bom condutor de calor, como cobre, alumínio, etc. Os dissipadores de calor são mais eficazes se toda a unidade for bem ventilada. Normalmente, com dissipadores de calor e componentes em contato, há um pequeno espaço de ar entre os dois sobre a superfície. O ar é um mau condutor de calor e, portanto, isso limita a perda de calor de um dispositivo. Para superar esse efeito, são usados ​​compostos de transferência de calor.

2:Espalhadores de calor

Os dissipadores de calor também são usados ​​como dispositivos de refrigeração. São placas ou folhas metálicas termicamente condutoras usadas para distribuir o calor por uma área mais ampla. Ele é usado como uma interface térmica intermediária entre a fonte de calor e o trocador de calor secundário (dissipador de calor, etc.). O dissipador de calor pode ser aplicado como uma placa de suporte para PCBs com componentes geradores de calor. Vias térmicas são usadas como canais térmicos entre o dissipador de calor e os pacotes de componentes para melhorar o fluxo de calor.

3:tubos de calor

Os tubos de calor são tubos ocos selados contendo um líquido ou refrigerante. Uma extremidade é conectada à fonte de calor e a outra extremidade a um trocador de calor secundário (como dissipador de calor). O calor gerado ferve o líquido em uma extremidade que viaja para a extremidade mais fria, onde os vapores se condensam e retornam à extremidade aquecida. Eles geralmente são feitos de metal condutor e são adequados para projetos de placas com espaço limitado.

4:Materiais de interface térmica

Estes são materiais pré-fabricados termicamente condutivos que estão disponíveis em uma variedade de formas (pads, adesivos, géis, etc.) Eles são projetados para preencher os espaços de ar entre as superfícies de contato. Como resultado, a área de superfície máxima é usada para transferência de calor e a temperatura de operação é reduzida. Os compostos de transferência de calor podem ser de vários tipos. Electrolubes produzem pastas termicamente condutoras que consistem em cargas minerais em um fluido transportador (que pode ser não-silicone ou à base de silicone). As pastas à base de silicone têm temperaturas de operação mais altas do que as pastas sem silicone. É importante que, ao usar material termicamente condutor, a interface entre o dispositivo e o dissipador de calor seja completamente preenchida.

5:Ar forçado

Força o ar é outro método comum usado para resfriamento. Isso pode ser feito pelo uso de um ventilador ou soprador para aumentar o fluxo de ar sobre um componente gerador de calor. Isso aumenta o fluxo de ar aquecido para longe do dissipador de calor e pode melhorar a dissipação de calor. Ventiladores de vários tamanhos podem ser usados ​​e sua colocação pode ser otimizada para melhorar o caminho do fluxo.

6:Bombas de calor de estado sólido

Também conhecidos como TECs (resfriadores termoelétricos), são dispositivos semicondutores finos e compactos que são colocados entre a fonte de calor e o dissipador de calor para melhorar a dissipação de calor. Uma tensão é aplicada ao TEC que cria uma diferença de temperatura entre os dois lados do dispositivo e permite a transferência de calor por condução. Embora não sejam muito eficientes, movimentam grandes quantidades de calor e têm uma vida útil mais longa. Além disso, quando a corrente é invertida, o fluxo de transferência de calor se inverte, o que transforma o dispositivo em um aquecedor e pode ser ideal para aplicações em controle de temperatura.