ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการจัดการความร้อน

ระบบอิเล็กทรอนิคส์เริ่มหนาแน่นและร้อนขึ้น ซึ่งหมายความว่าระบบจำนวนมากจะต้องการวิธีการจัดการความร้อนดังกล่าว ในขณะที่การพัฒนาโซลูชันการจัดการระบายความร้อนไม่จำเป็นสำหรับการออกแบบทุกประเภท ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับวิธีการสร้าง เคลื่อนย้าย และกำจัดความร้อนเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ส่วนประกอบหลักเสียหายจากอุณหภูมิที่สูงขึ้น ในท้ายที่สุด การจัดการระบายความร้อนจะต้องได้รับการพิจารณาในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบ มากกว่าที่จะเป็นวิธีแก้ปัญหาแบบแบนด์เอดในการออกแบบขั้นสุดท้าย

พื้นฐานการจัดการความร้อน

เนื่องจากระบบอิเล็กทรอนิกส์มีความต้องการมากขึ้น ทฤษฎีระบุว่ามีสามวิธีในการถ่ายเทความร้อนและทำให้ส่วนประกอบเย็นลงได้: การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี

บางทีอาจเป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานที่มีประสิทธิภาพที่สุด การนำไฟฟ้าถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านการสัมผัสทางกายภาพระหว่างวัตถุสองชิ้น โดยที่วัตถุที่เย็นกว่าจะดึงพลังงานออกจากวัตถุที่ร้อนกว่าโดยธรรมชาติ โดยทั่วไป วิธีนี้ต้องใช้พื้นที่ผิวที่เล็กที่สุดในการเคลื่อนย้ายพลังงานสูงสุด

รูปที่ 1: การนำไฟฟ้าในทางปฏิบัติ (ที่มาของภาพ: Same Sky)

ประการที่สอง การพาความร้อนกระจายพลังงานความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของอากาศ เมื่ออากาศเย็นผ่านวัตถุที่ร้อนกว่า มันจะดึงความร้อนออกจากวัตถุและพัดพาไปในขณะที่มันยังคงเคลื่อนที่ผ่านอุปกรณ์ วิธีนี้สามารถทำได้โดยการพาอากาศธรรมชาติหรือการพาอากาศแบบบังคับผ่านพัดลม

รูปที่ 2: การพาความร้อนในทางปฏิบัติ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ประการที่สาม การแผ่รังสีคือการปลดปล่อยพลังงานเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า วิธีนี้ค่อนข้างไม่ได้ผลและถูกละเลยในการคำนวณเชิงความร้อนส่วนใหญ่ เนื่องจากโดยทั่วไปจะใช้เฉพาะกับการใช้งานแบบสุญญากาศซึ่งการนำและการพาความร้อนไม่ใช่ตัวเลือก โดยหลักการแล้ว การแผ่รังสีคือการถ่ายเทความร้อนผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคร้อนสั่นสะเทือน

รูปที่ 3: การแผ่รังสีในทางปฏิบัติ (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

แม้ว่าจะไม่ใช่หนึ่งในสามแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับการระบายความร้อนที่ร่างไว้ข้างต้น แต่ก็ควรกล่าวถึงการต้านทานความร้อนหรืออิมพีแดนซ์ ซึ่งจะวัดประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อนระหว่างวัตถุและใช้กันอย่างแพร่หลายในการออกแบบโซลูชันการจัดการระบายความร้อน พูดง่าย ๆ ก็คือ ยิ่งอิมพีแดนซ์ความร้อนต่ำ การถ่ายเทพลังงานก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น การใช้อิมพีแดนซ์ความร้อนและอุณหภูมิแวดล้อมที่กำหนด เป็นไปได้ที่จะคำนวณว่าสามารถกระจายพลังงานได้มากเพียงใดก่อนที่จะถึงอุณหภูมิที่กำหนด

ส่วนประกอบการจัดการความร้อน

มีวิธีที่นิยมในการทำความเย็นระบบอิเล็กทรอนิกส์สามวิธี: ฮีตซิงก์ พัดลม และโมดูล Peltier สามารถใช้คนเดียวได้ แต่สามารถบรรลุประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นเมื่อรวมเข้าด้วยกัน

ครีบระบายความร้อน มีให้เลือกหลายรูปทรงและขนาด ใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนโดยการลดอิมพีแดนซ์ความร้อนระหว่างอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อเข้ากับสื่อทำความเย็น ซึ่งมักจะเป็นอากาศ พวกเขาทำได้โดยการเพิ่มพื้นที่ผิวการพาความร้อนและทำจากวัสดุที่มีความต้านทานความร้อนต่ำกว่าเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป แผ่นระบายความร้อนมีต้นทุนต่ำและแทบไม่เคยล้มเหลวหรือเสื่อมสภาพเลย แต่มักจะเพิ่มปริมาณของระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ระบายความร้อน ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ฮีตซิงก์มักจะจับคู่กับพัดลมเพื่อย้ายพลังงานความร้อนที่กระจายไปออกจากระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น พัดลมหรือเครื่องเป่าลม สร้างกระแสลมเย็นที่สดชื่นอย่างต่อเนื่องบนแผงระบายความร้อน เพื่อรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอ่างกับอากาศเย็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการถ่ายเทพลังงานความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง

พัดลมและเครื่องเป่าลม มีให้เลือกในรูปทรงและขนาดที่หลากหลายพร้อมตัวเลือกพลังงานที่หลากหลาย ข้อกำหนดที่สำคัญคือกระแสลมที่สามารถสร้างได้ ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดเป็นลูกบาศก์ฟุตต่อนาที (CFM) พัดลมและโบลเวอร์บางตัวมีตัวควบคุมเพื่อให้สามารถปรับความเร็วได้เพื่อให้ตรงกับความต้องการในการระบายความร้อนในปัจจุบัน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบควบคุมตามผลตอบรับ พัดลมช่วยปรับปรุงการระบายความร้อน แต่นักออกแบบจำเป็นต้องตระหนักว่าพวกเขาต้องการพลังงานและบางครั้งก็ใช้วงจรควบคุม ในทางตรงกันข้ามกับฮีตซิงก์ พัดลมอาจมีเสียงดังและมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวได้ง่ายขึ้น

อุปกรณ์เพลเทียร์ เป็นส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เอฟเฟกต์ Peltier เพื่อถ่ายเทความร้อนจากด้านหนึ่งของโมดูลไปยังอีกด้านหนึ่ง อุปกรณ์ Peltier ต้องได้รับพลังงานเพื่อที่จะเคลื่อนย้ายพลังงานความร้อน ซึ่งจริง ๆ แล้วเพิ่มความร้อนให้กับระบบ ดังนั้นจึงควรใช้กับฮีตซิงก์และพัดลมได้ดีที่สุด อย่างไรก็ตาม โมดูล Peltier สามารถบรรลุการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ และสามารถทำให้อุปกรณ์เย็นลงที่อุณหภูมิต่ำกว่าสภาพแวดล้อมได้ เช่นเดียวกับฮีตซิงก์ พวกเขาไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ดังนั้นพวกมันจึงมีความยืดหยุ่นและทนทานในตัวเอง แต่อาจต้องใช้อีกครั้งกับพัดลม ฮีตซิงก์ และวงจรควบคุม ซึ่งเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อน ด้วยเหตุผลเหล่านี้ โมดูล Peltier มักถูกสงวนไว้สำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูงสุด เช่น การดึงพลังงานความร้อนออกจากหัวใจของระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่อัดแน่นไปด้วยความหนาแน่น

การคำนวณข้อกำหนดด้านความร้อน

ไม่ว่าความต้องการในการออกแบบขั้นสุดท้ายจะเป็นอย่างไร มีแนวทางที่ดีในการออกแบบโซลูชันการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อช่วยแสดงให้เห็นว่าวิศวกรอาจสร้างโซลูชันการจัดการระบายความร้อนแบบบูรณาการได้อย่างไร ต่อไปนี้คือปัญหาและวิธีแก้ไขตามสมมุติฐาน:

ตัวอย่างนี้จะใช้อุปกรณ์ในบรรจุภัณฑ์ขนาด 10 มม. x 15 มม. ที่สร้างความร้อนได้ 3.3 วัตต์ที่สถานะคงตัว อุณหภูมิแวดล้อมของสภาพแวดล้อมการทำงานของอุปกรณ์คือ 50°C โดยมีอุณหภูมิการทำงานในอุดมคติที่ 40°C ส่วนใดของระบบไม่ควรเกิน 100°C

รูปที่ 4: กราฟประสิทธิภาพของโมดูล Peltier จากแผ่นข้อมูล CP2088-219 (แหล่งรูปภาพ: Same Sky)

ข้อกำหนดเหล่านี้หมายความว่าจำเป็นต้องใช้โมดูล Peltier เพื่อให้อุณหภูมิของอุปกรณ์ต่ำกว่าสภาพแวดล้อม อุปกรณ์ CUI เสนอ CP2088-219 ซึ่งเป็นโมดูลไมโครเพลเทียร์ที่สามารถขจัดพลังงานความร้อน 3.3 วัตต์ และลดอุณหภูมิของอุปกรณ์ลงเหลือ 10°C ต่ำกว่าสภาพแวดล้อม โมดูล Peltier เชื่อมต่อกับอุปกรณ์โดยใช้ SF600G ซึ่งเป็นวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่ช่วยลดความต้านทานความร้อนระหว่างอุปกรณ์และเครื่องทำความเย็น แผ่นข้อมูล CP2088-219 (รูปที่ 4) แสดงให้เห็นว่าโมดูล Peltier ต้องการ 1.2 A ที่ 2.5 V ซึ่งหมายความว่าการทำงานจะเพิ่มพลังงานความร้อน 3 W ให้กับระบบ

ในการกำจัดพลังงานความร้อนทั้งหมด 6.3 W ออกจากโมดูล Peltier ตัวระบายความร้อน (HSS-B20-NP-12) ติดกับอีกด้านหนึ่ง โดยใช้ SF600G TIM เป็นอินเทอร์เฟซอีกครั้ง TIM มีพื้นที่ 8.8 มม. x 8.8 มม. และทนความร้อนได้ต่ำกว่า 1.08°C/W

ฮีตซิงก์มีความต้านทานความร้อนที่ 3.47°C/W โดยสมมติให้ลมไหลเวียนที่ 200 ฟุตเชิงเส้นต่อนาที (LFM)

ทำให้ความต้านทานความร้อนรวมของ TIM และแผงระบายความร้อนรวมกันอยู่ที่ 4.55 องศาเซลเซียส/วัตต์

เพื่อให้กระแสลมที่สม่ำเสมอถึง 200 LFM พัดลมจาก ซีรีส์ CFM-25Bสามารถนำมาใช้

การตั้งค่าเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่จะระบายความร้อนให้กับโมดูล Peltier ผ่าน TIM พื้นผิวด้านบนของโมดูล Peltier เชื่อมต่อกับแผงระบายความร้อนผ่าน TIM อื่น และส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ภายใน 200 LFM ของอากาศ 50°C

รูปที่ 5: โซลูชันการจัดการระบายความร้อนโดยใช้อุปกรณ์ Peltier, ฮีตซิงก์, เลเยอร์ TIM สองชั้น และพัดลม (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

การใช้ข้อมูลนี้ สามารถคำนวณอุณหภูมิในสภาวะคงตัวของอุปกรณ์ได้ โมดูล Peltier จะรักษาด้านเย็นไว้ที่ 40°C โดยต้องเพิ่มความร้อน 3.3 W ให้กับชุดประกอบ แผ่นระบายความร้อนจะต้องกระจายความร้อน 6.3 W ในสภาพแวดล้อมการไหลเวียนของอากาศ 50°C โดยมีความต้านทานความร้อนทั้งหมดระหว่างโมดูล Peltier กับอากาศแวดล้อมที่ 4.55 °C/W การคูณ 6.3 W กับ 4.55°C/W จะเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเหนือสภาพแวดล้อม ซึ่งในกรณีนี้คือ 28.67°C หรือทั้งหมด 78.67°C ซึ่งอยู่ภายใต้ข้อกำหนด 100°C ส่งผลให้ระบบจัดการระบายความร้อนตอบสนองความต้องการของระบบ

บทสรุป

การจัดการระบายความร้อนมีความจำเป็นอยู่แล้วในการใช้งานของผู้บริโภค เช่น การทำความเย็น, HVAC, การพิมพ์ 3 มิติ และเครื่องลดความชื้น นอกจากนี้ยังใช้ในงานทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม เช่น วงจรความร้อนสำหรับการสังเคราะห์ DNA และเลเซอร์ความแม่นยำสูง ฮีตซิงก์ พัดลม และโมดูล Peltier สามารถช่วยให้แน่ใจว่าระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนอยู่ภายในขีดจำกัดการออกแบบระบบระบายความร้อน Same Sky มีช่วงของ ส่วนประกอบการจัดการความร้อน เพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการคัดเลือกที่สำคัญนี้