โซลูชันการจัดการความร้อนของบอร์ดแบบฝัง

การประมวลผลแบบเอดจ์ที่เพิ่มขึ้น การปรับปรุงประสิทธิภาพ และการย่อขนาดของแพลตฟอร์มแบบฝังตัวทำให้การใช้พลังงานและการเกิดความร้อนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดจุดความร้อนสูง ความเครียดจากความร้อนอาจลดประสิทธิภาพของระบบฝังตัวลงอย่างมาก และอาจทำให้ระบบทั้งหมดล้มเหลวได้ การโดนความร้อนมากเกินไปเป็นเวลานานยังทำให้อายุการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลดลงอีกด้วย

ความเข้าใจเกี่ยวกับเทคนิคการจัดการความร้อนถือเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาอุปกรณ์ให้มีสภาพการทำงานที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งความก้าวหน้าในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ส่งผลให้จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีการจัดการความร้อนเชิงนวัตกรรมเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของระบบ ตามรายงานของ Market Research Future คาดว่าตลาดการจัดการความร้อนจะเติบโตถึง 20.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2030 โดยมีอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ที่ 8 เปอร์เซ็นต์ระหว่างปี 2022 ถึงปี 2030

อุปกรณ์เสริมระบายความร้อนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ไม่ใช่เฉพาะ FPGA เท่านั้น เนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงาน การจัดการความร้อนอย่างเหมาะสมถือเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานที่ยาวนานของอุปกรณ์เหล่านี้ นี่คือข้อสรุปว่าเหตุใดอุปกรณ์เสริมด้านความร้อนจึงมีความสำคัญสำหรับผลิตภัณฑ์หลายประเภท:

1. ไมโครโปรเซสเซอร์และซีพียู:

• การเกิดความร้อน: ซีพียู โดยเฉพาะในคอมพิวเตอร์และเซิร์ฟเวอร์ประสิทธิภาพสูง มักสร้างความร้อนอย่างมากเนื่องจากต้องใช้งานคอมพิวเตอร์อย่างหนัก
• อุปกรณ์เสริมระบายความร้อน: ฮีทซิงค์ น้ำยาระบายความร้อน และพัดลมระบายความร้อนเป็นสิ่งสำคัญในการระบายความร้อน ป้องกันการสะสมความร้อน และช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่เสถียร

2. หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU):

• การใช้พลังงานสูง: GPU โดยเฉพาะในด้านการเล่นเกม AI และการประมวลผลข้อมูล ใช้พลังงานจำนวนมากและก่อให้เกิดความร้อนในปริมาณมาก
• การจัดการความร้อน: โซลูชันการระบายความร้อน เช่น ฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ พัดลม และบางครั้งการระบายความร้อนด้วยของเหลว เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาอุณหภูมิให้เหมาะสม ป้องกันความร้อนสูงเกินไป และรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่ระดับสูง

3. หน่วยจ่ายไฟ (PSU):

• การกระจายความร้อน: แหล่งจ่ายไฟจะแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนจำนวนมาก
• โซลูชั่นการระบายความร้อน: การระบายความร้อนแบบแอคทีฟด้วยพัดลมและการระบายความร้อนแบบพาสซีฟด้วยแผ่นระบายความร้อนเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแหล่งจ่ายไฟ

4. โมดูลหน่วยความจำ (RAM, DRAM):

• เสถียรภาพในการทำงาน: โมดูลหน่วยความจำความเร็วสูงอาจก่อให้เกิดความร้อนซึ่งหากไม่ได้รับการตรวจสอบ อาจนำไปสู่ความเสียหายของข้อมูลหรือระบบไม่เสถียรได้
• อุปกรณ์เสริมระบายความร้อน: อุปกรณ์กระจายความร้อนและพัดลมระบายความร้อนใช้เพื่อระบายความร้อนและรักษาความสมบูรณ์และความเร็วของข้อมูล

5. อุปกรณ์เครือข่าย (เราเตอร์, สวิตช์):

• การทำงานต่อเนื่อง: อุปกรณ์เครือข่ายมักทำงานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน ทำให้เกิดความร้อนอย่างต่อเนื่อง
• ข้อกำหนดด้านการทำความเย็น: ฮีทซิงค์ พัดลม และบางครั้งระบบระบายความร้อนแวดล้อม (เช่น เครื่องปรับอากาศในห้องเซิร์ฟเวอร์) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีประสิทธิภาพการทำงานที่สม่ำเสมอและป้องกันอุปกรณ์ล้มเหลว

6. ระบบฝังตัว:

• ความท้าทายในการออกแบบที่กะทัดรัด: ระบบฝังตัวมักทำงานในสภาพแวดล้อมที่จำกัดซึ่งทำให้การระบายความร้อนทำได้ยาก
• โซลูชั่นทางความร้อน: ฮีทซิงค์แบบเฉพาะ แผ่นระบายความร้อน และกล่องหุ้มพิเศษพร้อมระบบระบายความร้อน ใช้เพื่อจัดการความร้อนในระบบขนาดกะทัดรัดเหล่านี้ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในการใช้งานทางอุตสาหกรรมและยานยนต์

7. อุปกรณ์พกพา (สมาร์ทโฟน, แท็บเล็ต):

• ข้อจำกัดด้านความร้อน: อุปกรณ์เคลื่อนที่มีขนาดกะทัดรัดและมีพื้นที่จำกัดสำหรับการระบายความร้อน แต่ใช้โปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงและแบตเตอรี่ที่สร้างความร้อน
• นวัตกรรมการระบายความร้อน: เทคนิคต่างๆ เช่น การควบคุมความร้อน, ตัวกระจายความร้อนด้วยกราไฟต์ และวัสดุขั้นสูง ใช้เพื่อจัดการความร้อนโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดของอุปกรณ์

8. แบตเตอรี่และแหล่งเก็บพลังงาน:

• ความปลอดภัยและอายุการใช้งาน: แบตเตอรี่ โดยเฉพาะในยานพาหนะไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานสูง จะสร้างความร้อนในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ
• การจัดการความร้อน: ระบบระบายความร้อน รวมทั้งการระบายความร้อนด้วยของเหลว ระบบจัดการความร้อน และวัสดุทนความร้อน ถือเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันความร้อนมากเกินไป ซึ่งอาจส่งผลให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานลดลงหรืออาจก่อให้เกิดสถานการณ์อันตรายได้

9. อุปกรณ์โทรคมนาคม:

• โหลดความร้อนต่อเนื่อง: สถานีฐาน เสาอากาศ และอุปกรณ์โทรคมนาคมอื่นๆ จะสร้างความร้อนอย่างต่อเนื่องในระหว่างการทำงาน
• ความจำเป็นในการระบายความร้อน: ฮีทซิงค์ พัดลม และตู้ควบคุมสภาพอากาศเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์และความพร้อมในการให้บริการ

10. ระบบคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง (HPC):

• ความร้อนสูงสุด: ระบบ HPC ที่ใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์, AI, และการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ เกี่ยวข้องกับคลัสเตอร์คอมพิวเตอร์หนาแน่นที่ก่อให้เกิดความร้อนเป็นอย่างมาก
• ระบบระบายความร้อนขั้นสูง: ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว ระบายความร้อนด้วยการจุ่ม และระบบระบายความร้อนด้วยอากาศที่ซับซ้อน ถือเป็นสิ่งสำคัญในการจัดการความร้อนและรับรองการทำงานความเร็วสูงที่ไม่หยุดชะงัก

อุปกรณ์เสริมระบายความร้อนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท ไม่ใช่แค่เพียง FPGA เท่านั้น มีบทบาทสำคัญในการระบายความร้อน ป้องกันความร้อนสูงเกินไป และทำให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและมีประสิทธิภาพ หากไม่มีการจัดการความร้อนอย่างเหมาะสม ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์อาจมีประสิทธิภาพลดลง ไม่เสถียร และอาจล้มเหลวอย่างร้ายแรงได้ การเลือกใช้โซลูชันระบายความร้อนจะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของผลิตภัณฑ์ รวมถึงการใช้พลังงาน ขนาด และสภาพแวดล้อมการทำงาน

เทคนิคการกระจายความร้อนทั่วไปในโซลูชันแบบฝังตัว

เทคนิคการกระจายความร้อนมีความสำคัญมากกว่าที่เคย โดยระบบจะมีขนาดเล็กลงและทรงพลังมากขึ้น นักออกแบบสามารถใช้วิธีการหลายวิธีในการกำจัดความร้อนออกจากส่วนประกอบและ PCB โดยมีกลไกทั่วไป ได้แก่:

ฮีทซิงค์และพัดลมระบายความร้อน - ฮีทซิงค์เป็นชิ้นส่วนโลหะที่มีพื้นผิวขนาดใหญ่และนำความร้อนได้ ทำหน้าที่เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาสซีฟ โดยกระจายความร้อนไปสู่อากาศโดยรอบผ่านการนำความร้อน การเพิ่มพัดลมระบายความร้อนให้กับฮีทซิงค์จะช่วยให้ระบายความร้อนออกได้เร็วและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น การผสมผสานนี้เป็นหนึ่งในวิธีที่นิยมใช้กันมากที่สุดและมีประสิทธิผลที่สุดในการระบายความร้อนระบบฝังตัว โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีการไหลของอากาศจำกัด

รูปที่ 1: ฮีทซิงค์พร้อมพัดลมระบายความร้อนช่วยระบายความร้อนออกจากส่วนประกอบที่ติดตั้งอยู่ (แหล่งที่มาภาพ: iWave)

การใช้ท่อความร้อน - ท่อความร้อนเป็นอุปกรณ์ระบายความร้อนที่ใช้ในงานอุณหภูมิสูง ท่อระบายความร้อนทั่วไปประกอบด้วยของเหลวที่ดูดซับความร้อน ระเหย และเคลื่อนที่ไปตามท่อ ที่ปลายคอนเดนเซอร์ ไอจะเปลี่ยนกลับเป็นของเหลว และวงจรก็จะวนซ้ำไปเรื่อย ๆ ท่อระบายความร้อนมีประสิทธิภาพสูงและสามารถถ่ายเทความร้อนในระยะทางไกล จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัดและความหนาแน่นสูง

อุปกรณ์กระจายความร้อน - อุปกรณ์กระจายความร้อนมีพื้นผิวเรียบขนาดใหญ่ซึ่งโดยทั่วไปจะกดโดยตรงกับพื้นผิวเรียบขนาดใหญ่อื่น ซึ่งจะช่วยถ่ายเทความร้อนจากชิ้นส่วนขนาดเล็กไปยังพื้นผิวโลหะขนาดใหญ่ได้ อุปกรณ์กระจายความร้อนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องทนต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง หรือต้องบรรจุอยู่ในภาชนะที่ปิดสนิท ผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็นโซลูชันที่แข็งแกร่งสำหรับการจัดการความร้อนในระบบฝังตัวที่ทนทานและปิดผนึก

อุปกรณ์ระบายความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริก (TECs) - อุปกรณ์ระบายความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริกเหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบที่ต้องรักษาอุณหภูมิของส่วนประกอบให้คงที่ โปรเซสเซอร์ที่กระจายพลังงานสูงมักใช้การ TEC การระบายความร้อนด้วยอากาศ และการระบายความร้อนด้วยของเหลวร่วมกัน เพื่อเพิ่มขีดจำกัดของการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบเดิม โดย TEC สามารถทำให้ส่วนประกอบเย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม จึงควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ

ช่องทางความร้อน - แผงระบายความร้อนจะติดตั้งไว้เหนือพื้นที่ที่บรรจุทองแดง และวางไว้ใกล้กับแหล่งจ่ายไฟ ในวิธีนี้ ความร้อนจะไหลจากส่วนประกอบต่าง ๆ ไปยังพื้นที่ทองแดง และกระจายออกไปผ่านอากาศจากช่องระบายอากาศ มักใช้ช่องระบายความร้อนในโมดูลและส่วนประกอบการจัดการพลังงานที่มีแผ่นระบายความร้อน เพื่อช่วยเพิ่มการนำความร้อนของ PCB

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว - ของเหลวสามารถถ่ายเทความร้อนได้เร็วกว่าอากาศถึง 4 เท่า ช่วยให้มีประสิทธิภาพความร้อนที่สูงขึ้นในโซลูชันที่มีขนาดเล็กลง ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวประกอบไปด้วยแผ่นทำความเย็นหรือตู้ทำความเย็นเพื่อเชื่อมต่อกับแหล่งความร้อน ปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์เพื่อหมุนเวียนของเหลว และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อดูดซับและกระจายความร้อนอย่างปลอดภัย การระบายความร้อนด้วยของเหลวมีประสิทธิภาพอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีกำลังไฟสูงและชิ้นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการบรรจุหนาแน่น

โซลูชั่นความร้อนจาก iWave

ทีมวิศวกรผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องกลของ iWave ออกแบบแผงระบายความร้อน แผงระบายความร้อนพัดลม และกล่องหุ้มที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะให้เหมาะกับคุณสมบัติความร้อนเฉพาะของผลิตภัณฑ์ พวกเขาใช้ซอฟต์แวร์จำลองความร้อนเพื่อช่วยให้วิศวกรกำหนดวิธีการระบายความร้อนที่เหมาะสมที่สุด และทำความเข้าใจกับพารามิเตอร์ความร้อนที่เกี่ยวข้อง ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์โดยรวม

การวิเคราะห์รูปแบบการไหลของความร้อน

วิศวกร iWave สามารถจำลองรูปแบบการไหลของความร้อนภายในอุปกรณ์ได้โดยใช้เครื่องมือ เช่น Ansys Icepak การวิเคราะห์นี้ช่วยระบุจุดความร้อนสูงและปรับปรุงการจัดวางส่วนประกอบทำความเย็นให้เหมาะสม โดยการเข้าใจวิธีการเคลื่อนตัวของความร้อนผ่านระบบ วิศวกรสามารถออกแบบโซลูชันการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้

การออกแบบแผงระบายความร้อนแบบกำหนดเอง

iWave ออกแบบแผงระบายความร้อนแบบพิเศษเพื่อให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะของแต่ละโครงการ โดยกระบวนการออกแบบเกี่ยวข้องกับการคำนวณค่าการกระจายความร้อนเชิงทฤษฎีโดยอิงจากพื้นที่ผิวและคุณสมบัติของวัสดุ จากนั้นวิศวกรจะทดสอบการออกแบบเหล่านี้โดยใช้ซอฟต์แวร์จำลองเพื่อให้แน่ใจว่ามีการระบายความร้อนที่เพียงพอภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ

วิธีการระบายความร้อนสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งาน

วิธีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ เช่น การรวม TEC และพัดลมระบายความร้อน ก็ยังได้รับการพิจารณาในระหว่างขั้นตอนการออกแบบด้วย iWave ประเมินข้อดีและข้อจำกัดของแต่ละวิธี และเลือกโซลูชันที่มีประสิทธิภาพและคุ้มต้นทุนที่สุดสำหรับแต่ละการใช้งาน

โซลูชันความร้อนสำหรับทุกรูปแบบ

iWave นำเสนอโซลูชันความร้อนสำหรับแฟกเตอร์ทุกรูปแบบ รวมถึง OSM, SMARC, Qseven และ SODIMM โซลูชันเหล่านี้ใช้โลหะผสมอะลูมิเนียม AL6063 เนื่องจากมีคุณสมบัติวัสดุที่ยอดเยี่ยม โดยอะลูมิเนียมเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม, ปลอดสารพิษ สามารถรีไซเคิลได้ และมีความทนทานสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งในการถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบต่างๆ

ด้วยโซลูชันระบายความร้อนภายใน นักออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถลดต้นทุนการใช้งานได้ด้วยการลดความล่าช้าทางวิศวกรรม ความล้มเหลวในพื้นที่ และการทำซ้ำผลิตภัณฑ์ การลดปริมาณความร้อนที่ระบายออกจากอุปกรณ์จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ ทำให้แน่ใจถึงอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

สรุป

ความซับซ้อนที่เพิ่มมากขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานของระบบฝังตัวจำเป็นต้องใช้เทคนิคการจัดการความร้อนขั้นสูง ด้วยการใช้หลากหลายวิธีในการระบายความร้อน ตั้งแต่แผ่นระบายความร้อนและพัดลมระบายความร้อนไปจนถึงระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวและช่องระบายความร้อน นักออกแบบจึงสามารถรับประกันประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดได้ บริษัทต่างๆ เช่น iWave นำเสนอโซลูชันความร้อนเฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของผลิตภัณฑ์ โดยใช้ประโยชน์จากเครื่องมือจำลองขั้นสูงและการออกแบบที่กำหนดเองเพื่อตอบสนองความท้าทายของระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับความเชี่ยวชาญด้านโซลูชันความร้อนของ iWave ติดต่อพวกเขาโดยตรง