L'alimentation électrique génère de la chaleur pendant le fonctionnement et l'augmentation continue de la température entraînera des changements de performances, ce qui peut éventuellement entraîner une défaillance du système ; De plus, la chaleur réduira également la durée de vie des composants et affectera la fiabilité à long terme.
Un composant générant de la chaleur, même si l'élévation de température dépasse sa limite admissible, fait chauffer l'ensemble du système, cela ne signifie pas nécessairement que l'ensemble du système est surchauffé, mais l'excès de chaleur généré par le composant doit être dissipé.
Alors, où va la chaleur ?
Dissiper dans un endroit plus frais, soit à côté du système et du boîtier, soit à l'extérieur du boîtier (uniquement possible si l'extérieur est plus froid que l'intérieur).
Solutions de gestion thermique
La gestion thermique suit les principes de base de la physique et il existe trois façons de conduire la chaleur : le rayonnement, la conduction et la convection.
Pour la plupart des systèmes électroniques, le refroidissement requis est obtenu en éloignant la chaleur de la source de chaleur, puis en la transférant ailleurs par convection.
La conception thermique nécessite une combinaison de divers matériels de gestion thermique pour obtenir efficacement la conduction et la convection requises.
Il existe trois éléments de refroidissement les plus couramment utilisés : les dissipateurs de chaleur, les caloducs et les ventilateurs.
Les dissipateurs de chaleur et les caloducs sont des systèmes de refroidissement passifs qui ne nécessitent pas d'alimentation électrique, tandis que les ventilateurs sont un système de refroidissement à air forcé actif.
dissipateur de chaleur
Un dissipateur thermique est une structure en aluminium ou en cuivre qui capte la chaleur d'une source de chaleur par conduction et transfère la chaleur dans un flux d'air (dans certains cas, de l'eau ou d'autres liquides) pour la convection.
Différents types de radiateurs
Les dissipateurs thermiques existent en milliers de tailles et de formes, des petites ailettes métalliques estampées qui relient les transistors individuels aux grandes extrusions avec de nombreuses ailettes (doigts) qui interceptent le flux d'air convectif et transfèrent la chaleur à ce flux d'air.
Les dissipateurs thermiques ont l'avantage de ne pas avoir de pièces mobiles, de coûts de fonctionnement, de modes de défaillance, etc.
Une fois que le dissipateur thermique est connecté à la source de chaleur, la convection se produit naturellement lorsque l'air chaud monte, commençant et continuant à créer un flux d'air.
Bien que les dissipateurs thermiques soient faciles à utiliser, ils présentent certains inconvénients :
1. Les dissipateurs thermiques qui transmettent de grandes quantités de chaleur sont encombrants, coûteux et lourds, et doivent être placés correctement, ce qui affectera ou limitera la disposition physique du circuit imprimé ;
2. Les ailettes peuvent être bloquées par la poussière dans le flux d'air, ce qui réduit l'efficacité ;
3. Il doit être correctement connecté à la source de chaleur afin que la chaleur puisse circuler en douceur de la source de chaleur vers le radiateur.
Caloduc
C'est un autre composant important du kit de gestion thermique, transférant la chaleur du point A au point B sans aucune forme de mécanisme de forçage actif.
Il contient un noyau fritté et un tube métallique scellé de fluide de travail qui n'agit pas lui-même comme un dissipateur de chaleur, mais absorbe plutôt la chaleur d'une source de chaleur et la transfère vers une zone plus froide.
Les caloducs peuvent être utilisés lorsqu'il n'y a pas assez d'espace pour un dissipateur de chaleur près de la source de chaleur ou lorsque le débit d'air est insuffisant.
Les caloducs fonctionnent efficacement et transfèrent la chaleur de la source vers un emplacement plus gérable.
principe de fonctionnement:
La source de chaleur convertit le fluide de travail en vapeur dans le tube scellé, et la vapeur transporte la chaleur vers l'extrémité la plus froide du caloduc. À cette extrémité, la vapeur se condense en un liquide et libère de la chaleur, et le fluide retourne à l'extrémité la plus chaude.
Ce processus de transition d'état gaz-liquide fonctionne en continu et n'est entraîné que par la différence de température entre les extrémités froide et chaude.
La connexion d'un dissipateur de chaleur ou d'un autre dispositif de refroidissement sur l'extrémité froide peut résoudre le problème de dissipation de la chaleur des points chauds localisés où le flux d'air est bloqué.
ventilateur
C'est la première étape vers un dispositif de refroidissement actif refroidi par air forcé, abandonnant les radiateurs passifs et les caloducs, mais les ventilateurs ont aussi leurs propres maux de tête :
1. Augmenter le coût, nécessiter de l'espace et augmenter le bruit du système ;
2. Il est sujet aux pannes, consomme de l'énergie et affecte l'efficacité de l'ensemble du système.
Mais dans de nombreux cas, en particulier lorsque le trajet du flux d'air est incurvé, vertical ou obstrué, ils sont souvent le seul moyen d'obtenir un flux d'air adéquat.
Le paramètre clé qui définit la capacité d'un ventilateur est la longueur unitaire ou le débit volumique unitaire d'air par minute.
La taille physique est cependant un problème : un grand ventilateur à basse vitesse peut produire le même flux d'air qu'un petit ventilateur à haute vitesse, il y a donc un compromis taille-vitesse.
Modélisation et simulation complète
Les systèmes passifs autonomes sont de plus grande taille mais sont plus fiables et efficaces, tandis que les ventilateurs peuvent fonctionner dans des situations où le refroidissement passif seul ne peut pas être utilisé.
Quel système choisir pour le refroidissement peut souvent être une décision difficile.
C'est là que la modélisation et la simulation sont nécessaires pour déterminer la quantité de refroidissement nécessaire et comment y parvenir, ce qui est essentiel à une stratégie de gestion thermique efficace.
Pour les modèles miniatures, les sources de chaleur et leurs trajets de flux de chaleur sont caractérisés par leur résistance thermique, qui est déterminée par le matériau, la masse et la taille utilisés.
La modélisation montrant comment la chaleur s'écoule de la source de chaleur est également la première étape de l'évaluation des composants qui provoquent une défaillance thermique en raison de leur propre dissipation thermique.
Les fournisseurs d'appareils tels que les circuits intégrés à haute dissipation thermique, les MOSFET et les IGBT fournissent souvent des modèles thermiques qui fournissent des détails sur le chemin thermique de la source de chaleur à la surface de l'appareil.
Une fois les charges thermiques des différents composants connues, l'étape suivante consiste à modéliser au niveau macro, qui est aussi simple que complexe :
Le flux d'air provenant de diverses sources de chaleur est dimensionné pour maintenir sa température en dessous des limites autorisées ; des calculs de base sont effectués en utilisant la température de l'air, le flux d'air non forcé disponible, le flux d'air du ventilateur et d'autres facteurs pour avoir une idée approximative des conditions de température.
Vient ensuite une modélisation plus complexe de l'ensemble du produit et de son emballage en utilisant le modèle et l'emplacement de chaque source de chaleur, la carte PC, la surface du boîtier et d'autres facteurs.
Enfin, la modélisation doit résoudre deux problèmes :
1. Le problème de la dissipation maximale et moyenne. Par exemple, un composant en régime permanent qui dissipe 1 W de chaleur en continu a un impact thermique différent de celui d'un appareil qui dissipe 10 W de chaleur mais a un cycle de service intermittent de 10 %.
Cela signifie que la dissipation thermique moyenne est la même et que la masse thermique et le flux de chaleur associés produiront des distributions de chaleur différentes. La plupart des applications CFD peuvent être analysées avec une combinaison de statique et de dynamique.
2. Imperfections dans les connexions physiques entre les composants et les surfaces du micromodèle, telles que la connexion physique entre le haut du boîtier du circuit intégré et le dissipateur thermique.
Si la connexion a un petit pas, la résistance thermique de ce chemin va augmenter, et il est nécessaire de remplir le plot thermique sur la surface de contact pour améliorer la conductivité thermique du chemin.
La gestion thermique peut réduire la température des composants de l'alimentation et de l'environnement interne, ce qui peut prolonger la durée de vie du produit et améliorer la fiabilité.
