Rozwiązania do odprowadzania ciepła z płytek układów wbudowanych

Poznanie metod odprowadzania ciepła jest niezbędne dla zapewnienia urządzeniom idealnych warunków pracy. Rozwój w branży elektronicznej wywołał zapotrzebowanie na nowatorskie technologie odprowadzania ciepła, aby poprawić niezawodność oraz parametry działania systemów. Według Market Research Future, globalny rynek rozwiązań odprowadzania ciepła ma osiągnąć wartość 20,3 mld USD do 2030 roku, rosnąc w tempie 8% wg skumulowanego rocznego wskaźnika wzrostu (CAGR) w latach 2022-2030.

Akcesoria termiczne mają kluczowe znaczenie w przypadku różnych produktów elektronicznych, nie tylko w bezpośrednio programowalnych macierzach bramek (FPGA), ze względu na ciepło wytwarzane podczas pracy. Odpowiednie odprowadzanie ciepła jest niezbędne dla utrzymania parametrów działania, niezawodności i trwałości użytkowej tych urządzeń. Oto analiza, dlaczego akcesoria termiczne są kluczowe dla różnych produktów:

1. Mikroprocesory i procesory:

• Wytwarzanie ciepła: procesory wytwarzają znaczne ilości ciepła z powodu intensywnych zadań obliczeniowych, zwłaszcza w wysokowydajnych komputerach i serwerach.
• Akcesoria termiczne: radiatory, pasty termiczne oraz wentylatory chłodzące odgrywają istotną rolę w rozpraszaniu ciepła, zapobieganiu przegrzewaniu się oraz utrzymaniu stabilnych parametrów działania.

2. Procesory graficzne (GPU):

• Wysoki pobór mocy: procesory graficzne zużywają dużo energii i wytwarzają znaczną ilość ciepła, zwłaszcza w grach, sztucznej inteligencji (AI) i przetwarzaniu danych.
• Odprowadzanie ciepła: rozwiązania chłodzące, takie jak duże radiatory, wentylatory, a czasem chłodzenie cieczą, są niezbędne do utrzymania optymalnych parametrów działania, zapobiegania przegrzaniu i utrzymania wysokich parametrów działania.

3. Zasilacze (PSU):

• Rozpraszanie ciepła: zasilacze konwertują prąd zmienny na stały, co wiąże się ze znacznymi stratami energii w postaci ciepła.
• Rozwiązania chłodzące: aktywne chłodzenie za pomocą wentylatorów i pasywne chłodzenie za pomocą radiatorów jest niezbędne do utrzymania sprawności energetycznej i trwałości użytkowej zasilaczy.

4. Moduły pamięci (RAM, DRAM):

• Stabilność operacyjna: szybkie moduły pamięci mogą wytwarzać ciepło, które bez odpowiedniego przeciwdziałania może prowadzić do uszkodzenia danych lub niestabilności systemu.
• Akcesoria termiczne: rozpraszacze ciepła i wentylatory chłodzące służą do rozpraszania ciepła i utrzymania integralności danych i szybkości działania.

5.Urządzenia sieciowe (routery, przełączniki):

• Ciągłość działania: urządzenia sieciowe często pracują w trybie 24/7, co prowadzi do ciągłego wytwarzania ciepła.
• Wymagania w zakresie chłodzenia: radiatory, wentylatory, a czasem chłodzenie środowiskowe (jak klimatyzacja w serwerowniach) są niezbędne do zapewnienia stałych parametrów działania i zapobiegania awariom.

6. Systemy wbudowane:

• Wyzwania związane z kompaktową konstrukcją: systemy wbudowane często działają w warunkach ograniczonej przestrzeni, w których rozpraszanie ciepła jest utrudnione.
• Rozwiązania termiczne: niestandardowe radiatory, okładziny termiczne i specjalistyczne obudowy z chłodzeniem służą do odprowadzania ciepła w tych niewielkich systemach, zapewniając niezawodność w zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych.

7. Urządzenia mobilne (smartfony, tablety):

• Ograniczenia termiczne: urządzenia mobilne są kompaktowe i mają ograniczoną przestrzeń na chłodzenie, a mimo to wykorzystują wysokowydajne procesory i baterie, które wytwarzają ciepło.
• Innowacyjne chłodzenie: do odprowadzania ciepła bez zwiększania rozmiaru urządzenia wykorzystywane są takie techniki jak dławienie termiczne, grafitowe rozpraszacze ciepła i zaawansowane materiały.

8. Baterie i magazynowanie energii:

• Bezpieczeństwo i trwałość użytkowa: baterie, zwłaszcza w pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania o dużej pojemności, wytwarzają ciepło podczas ładowania i rozładowywania.
• Odprowadzanie ciepła: systemy chłodzenia, takie jak chłodzenie cieczą, systemy odprowadzania ciepła oraz materiały termoodporne odgrywają istotną rolę w zapobieganiu przegrzaniu. Dzięki nim można zapobiec skróceniu czasu pracy baterii, a także potencjalnie niebezpiecznym sytuacjom.

9. Urządzenia telekomunikacyjne:

• Ciągłe obciążenie cieplne: stacje bazowe, anteny i inne urządzenia telekomunikacyjne stale generują ciepło podczas pracy.
• Niezbędne chłodzenie: radiatory, wentylatory i obudowy o regulowanym klimacie są niezbędne do utrzymania niezawodności sprzętu i dostępności usług.

10. Systemy obliczeniowe o wysokiej wydajności (HPC):

• Ekstremalna emisja ciepła: systemy HPC, wykorzystywane w badaniach naukowych, sztucznej inteligencji (AI) i analizie danych big data obejmują klastry obliczeniowe o wysokim zagęszczeniu, które wytwarzają znaczne ilości ciepła.
• Zaawansowane chłodzenie: chłodzenie cieczą, chłodzenie zanurzeniowe i zaawansowane układy chłodzenia powietrzem mają kluczowe znaczenie dla zarządzania ciepłem i zapewnienia nieprzerwanej, szybkiej pracy.

Akcesoria termiczne są niezbędne w szerokiej gamie produktów elektronicznych, nie tylko w bezpośrednio programowalnych macierzach bramek (FPGA). Odgrywają one istotną rolę w rozpraszaniu ciepła, zapobiegając przegrzaniu i zapewniając niezawodność i sprawność działania urządzeń. Bez właściwego odprowadzania ciepła, urządzenia elektroniczne mogą doświadczać pogorszenia parametrów działania, niestabilności oraz ryzyka poważnej awarii. Wybór rozwiązań termicznych zależy od specyficznych wymagań produktu, w tym jego poboru mocy, rozmiarów i środowiska pracy.

Ilustracja 1: Radiator z wentylatorem chłodzącym pomaga w rozpraszaniu ciepła z komponentów, na których jest zamontowany. (Źródło ilustracji: iWave)

Popularne techniki rozpraszania ciepła w rozwiązaniach wbudowanych

Techniki rozpraszania ciepła zyskują na znaczeniu, ponieważ systemy stają się coraz mniejsze i bardziej wydajne. Projektanci mogą zastosować różne metody do odprowadzania ciepła z komponentów i płytek drukowanych, a do popularnych mechanizmów należą:

• Radiatory i wentylatory chłodzące - radiatory to metalowe elementy termoprzewodzące o dużej powierzchni, które działają jako pasywne wymienniki ciepła, rozpraszając ciepło do otaczającego powietrza z wykorzystaniem przewodnictwa cieplnego. Dodanie wentylatorów chłodzących do radiatorów pomaga w szybszym i bardziej efektywnym odprowadzaniu ciepła. To połączenie jest jedną z najbardziej powszechnych i skutecznych metod chłodzenia systemów wbudowanych, szczególnie w środowisku o ograniczonym przepływie powietrza.
• Integracja ciepłowodów - ciepłowody to urządzenia chłodzące używane w zastosowaniach o wysokiej temperaturze. Typowy ciepłowód zawiera płyn, który pochłania ciepło, odparowuje i przemieszcza się wzdłuż rury. Po stronie skraplacza para zamienia się z powrotem w ciecz i cykl się powtarza. Ciepłowody charakteryzują się wysoką sprawnością i mogą przenosić ciepło na duże odległości, dzięki czemu idealnie sprawdzają się w kompaktowych urządzeniach elektronicznych o dużej gęstości.
• Rozpraszacze ciepła - rozpraszacze ciepła mają dużą płaską powierzchnię, która jest zwykle dociskana bezpośrednio do innej dużej płaskiej powierzchni. Umożliwiają one odprowadzenie ciepła z mniejszego komponentu na większą metalową powierzchnię. Rozpraszacze ciepła są idealne dla urządzeń, które muszą wytrzymać ekstremalne wstrząsy i wibracje lub są umieszczone wewnątrz szczelnych pojemników. Stanowią one solidne rozwiązanie odprowadzania ciepła we wzmocnionych i uszczelnionych systemach wbudowanych.
• Schładzacze termoelektryczne (TEC) - schładzacze termoelektryczne są idealne do systemów, w których temperatura komponentów musi być utrzymywana na stałym poziomie. Procesory o dużej mocy rozpraszanej często wykorzystują kombinację chłodzenia termoelektrycznego (TEC), powietrznego i cieczowego, aby pokonać ograniczenia tradycyjnego chłodzenia powietrzem. Chłodzenie termoelektryczne (TEC) pozwala schłodzić komponenty poniżej temperatury otoczenia, zapewniając precyzyjną kontrolę temperatury.
• Przelotki termiczne - układy przelotek termicznych są umieszczane nad obszarami wypełnionymi miedzią i blisko źródeł zasilania. W tej metodzie ciepło przepływa z komponentów do obszaru miedzi i rozpraszane jest przez powietrze w przelotkach. Przelotki termiczne są często stosowane w modułach zarządzania zasilaniem i komponentach z okładzinami termicznymi, zwiększając przewodność cieplną płytki drukowanej.
• Systemy chłodzenia cieczą - ciecze mogą przewodzić ciepło czterokrotnie szybciej niż powietrze, co pozwala na osiągnięcie lepszych parametrów termicznych w bardziej kompaktowych rozwiązaniach. System chłodzenia cieczą składa się z zimnej płytki lub chłodzonej obudowy, która styka się ze źródłem ciepła, pompy lub sprężarki do cyrkulacji cieczy oraz wymiennika ciepła, który bezpiecznie pochłania i rozprasza ciepło. Chłodzenie cieczą jest szczególnie skuteczne w przypadku zastosowań wymagających dużej mocy i gęsto upakowanych zespołów elektronicznych.

Rozwiązania termiczne firmy iWave

Zespół inżynierów mechaników firmy iWave projektuje radiatory, wentylatory i obudowy dostosowane do specyfiki termicznej produktów. Korzystają oni z oprogramowania do symulacji termicznych, które wspiera inżynierów w wyborze najodpowiedniejszych metod chłodzenia oraz zrozumieniu związanych z nimi parametrów termicznych, co ostatecznie zwiększa ogólną niezawodność produktu.

Analiza wzorca przepływu cieplnego

Korzystając z narzędzi takich jak Ansys Icepak, inżynierowie firmy iWave mogą symulować wzorce przepływu ciepła wewnątrz urządzenia. Analiza ta pomaga zidentyfikować miejsca o podwyższonych temperaturach i zoptymalizować rozmieszczenie komponentów chłodzących. Dzięki wiedzy o tym, jak ciepło przepływa przez system, inżynierowie mogą tworzyć bardziej wydajne rozwiązania odprowadzania ciepła.

Niestandardowa konstrukcja radiatora

iWave projektuje niestandardowe radiatory dostosowane do specyficznych potrzeb indywidualnego projektu. Proces projektowania obejmuje obliczanie teoretycznych wartości rozpraszania ciepła w oparciu o pole powierzchni i właściwości materiałów. Następnie inżynierowie sprawdzają te projekty przy użyciu oprogramowania symulacyjnego, aby upewnić się, że gwarantują one właściwe chłodzenie w różnych warunkach pracy.

Metody chłodzenia urządzeń aktywnych

W fazie projektowania rozważane są również metody chłodzenia aktywnego, takie jak układy chłodzenia termoelektrycznego (TEC) i wentylatory chłodzące. iWave ocenia korzyści i ograniczenia każdej metody, wybierając najsprawniejsze i najbardziej opłacalne rozwiązanie dla każdego zastosowania.

Rozwiązania termiczne dla wszystkich formatów

iWave oferuje rozwiązania termiczne dla wszystkich formatów, w tym OSM, SMARC, Qseven i SODIMM. Rozwiązania te wykorzystują stop aluminium AL6063 ze względu na jego doskonałe właściwości materiałowe. Aluminium jest doskonałym przewodnikiem ciepła, nietoksycznym, nadającym się do recyklingu i bardzo trwałym, dzięki czemu idealnie nadaje się do wymiany ciepła z komponentów.

Dzięki własnym rozwiązaniom termicznym, projektanci produktów mogą obniżyć koszty wdrożenia, eliminując opóźnienia projektowe, awarie w terenie i iteracje produktów. Zmniejszenie ilości ciepła rozpraszanego przez urządzenie poprawia sprawność i niezawodność, zapewniając dobrą trwałość użytkową produktu.

Podsumowanie

Rosnąca złożoność i gęstość mocy systemów wbudowanych wymaga zaawansowanych technik odprowadzania ciepła. Dzięki zastosowaniu różnych metod rozpraszania ciepła, od radiatorów i wentylatorów chłodzących po układy chłodzenia cieczą i przelotki termiczne, projektanci mogą zapewnić optymalne parametry działania i niezawodność swoich urządzeń. Firmy takie jak iWave oferują wyspecjalizowane rozwiązania termiczne, które są dostosowane do specyficznych wymagań produktów. Wykorzystują przy tym zaawansowane narzędzia symulacyjne oraz indywidualne projekty, aby sprostać wyzwaniom współczesnej elektroniki.

Aby uzyskać więcej informacji na temat specjalistycznej wiedzy firmy iWave w zakresie rozwiązań termicznych, skontaktuj się z nią bezpośrednio.

Źródło: Rozwiązania do odprowadzania ciepła z płytek układów wbudowanych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.