Les principales solutions de gestion thermique de l'alimentation
La gestion thermique obéit aux principes de base de la physique. Il existe trois modes de conduction thermique : le rayonnement, la conduction et la convection.
Pour la plupart des systèmes électroniques, pour obtenir le refroidissement requis, il faut d'abord laisser la chaleur quitter la source de chaleur par conduction, puis la transférer vers d'autres endroits par convection.
Lors de la conception thermique, il est nécessaire de combiner divers matériels de gestion thermique pour obtenir efficacement la conduction et la convection requises.
Il existe trois composants de refroidissement les plus couramment utilisés : les dissipateurs thermiques, les caloducs et les ventilateurs.
Le dissipateur thermique et le caloduc sont des systèmes de refroidissement passifs sans alimentation électrique, tandis que le ventilateur est un système de refroidissement à air forcé actif.
Le radiateur est une structure en aluminium ou en cuivre qui peut obtenir de la chaleur à partir d'une source de chaleur par conduction et transférer la chaleur au flux d'air (dans certains cas, à l'eau ou à d'autres liquides) pour réaliser la convection.
Les dissipateurs thermiques existent dans des milliers de tailles et de formes, des petites ailettes en métal estampé qui connectent un seul transistor aux grandes extrusions avec de nombreuses ailettes (doigts) qui peuvent intercepter le flux d'air convectif et lui transférer de la chaleur.
Le radiateur présente les avantages de l'absence de pièces mobiles, des coûts d'exploitation, des modes de défaillance, etc.
Une fois le radiateur connecté à la source de chaleur, à mesure que l'air chaud monte, la convection se produira naturellement, commençant et continuant ainsi à former un flux d'air.
Bien que le radiateur soit facile à utiliser, il présente quelques inconvénients :
Le radiateur qui transmet une grande chaleur est grand, coûteux et lourd, et doit être placé correctement, ce qui affectera ou limitera la disposition physique du circuit imprimé ;
Les ailettes peuvent être bloquées par la poussière dans le flux d'air, ce qui réduit l'efficacité ;
Il doit être correctement connecté à la source de chaleur afin que la chaleur puisse circuler de la source de chaleur vers le radiateur en douceur.
Caloduc
C'est un autre composant important de la suite de gestion thermique, qui peut transférer la chaleur d'un point A à un point B sans aucune forme de mécanisme de forçage actif.
Il contient un noyau fritté et un tube métallique scellé de fluide de travail. Il n'agit pas en lui-même comme un radiateur. Sa fonction est d'absorber la chaleur de la source de chaleur et de la transférer vers une zone plus froide.
Les caloducs peuvent être utilisés lorsqu'il n'y a pas assez d'espace près de la source de chaleur pour placer le radiateur ou que le débit d'air est insuffisant. Le caloduc a une efficacité de fonctionnement élevée et peut transférer la chaleur de la source vers un endroit plus pratique à gérer.
Son principe de fonctionnement est simple et ingénieux :
La source de chaleur convertit le fluide de travail en vapeur dans le tube scellé, et la vapeur transfère la chaleur à l'extrémité la plus froide du caloduc. À cette extrémité, la vapeur se condense en liquide et libère de la chaleur, tandis que le fluide retourne à l'extrémité la plus chaude.
Ce processus de transformation gaz-liquide fonctionne en continu et n'est piloté que par la différence de température entre l'extrémité froide et l'extrémité chaude. La connexion d'un radiateur ou d'un autre dispositif de refroidissement à l'extrémité froide peut résoudre le problème de dissipation thermique des points chauds locaux où le flux d'air est bloqué.
Ventilateur
C'est le premier pas vers un dissipateur thermique actif à refroidissement par air pulsé, à part les radiateurs passifs et les caloducs, mais les ventilateurs ont aussi des inconvénients :
coût élevé, besoin d'espace, augmentant le bruit du système;
Sujet aux pannes, consommer de l'énergie et affecter l'efficacité de l'ensemble du système
Mais dans de nombreux cas, en particulier lorsque le chemin du flux d'air est courbe, vertical ou non lisse, ils sont généralement le seul moyen d'obtenir un flux d'air suffisant.
Le paramètre clé qui définit la capacité d'un ventilateur est la longueur unitaire ou le débit volumique unitaire d'air par minute.
Cependant, la taille physique est un problème : un grand ventilateur avec une faible vitesse de rotation peut produire le même débit d'air qu'un petit ventilateur avec une vitesse de rotation élevée, il y a donc un compromis entre la taille et la vitesse.
Modélisation et simulation complète
Les systèmes passifs séparés sont de plus grande taille, mais plus fiables et plus efficaces, et les ventilateurs peuvent jouer un rôle dans les situations où le refroidissement passif ne peut pas être utilisé seul.
Le choix du système de refroidissement est souvent une décision difficile.
À ce stade, il est nécessaire de déterminer la quantité d'air de refroidissement nécessaire et la manière d'obtenir le refroidissement grâce à la modélisation et à la simulation, ce qui est essentiel pour des stratégies de gestion thermique efficaces.
Pour le modèle miniature, la source de chaleur et son chemin de flux de chaleur sont caractérisés par leur résistance thermique, et la résistance thermique est déterminée par le matériau, la qualité et la taille utilisés.
La modélisation montre comment la chaleur s'écoule de la source de chaleur et constitue également la première étape de l'évaluation des composants qui provoquent des accidents thermiques en raison de leur propre dissipation thermique.
Par exemple, les fournisseurs d'appareils tels que les circuits intégrés à dissipation thermique élevée, les MOSFET et les IGBT fournissent généralement des modèles thermiques qui peuvent fournir des détails sur le chemin thermique de la source de chaleur à la surface de l'appareil.
Une fois la charge thermique de chaque composant connue, l'étape suivante consiste à modéliser à un niveau macro, qui est à la fois simple et complexe :
Ajustez la taille du flux d'air à travers diverses sources de chaleur pour maintenir sa température en dessous de la limite admissible ; utilisez la température de l'air, le débit d'air non forcé disponible, le débit d'air du ventilateur et d'autres facteurs pour effectuer des calculs de base afin de comprendre approximativement la situation de la température.
L'étape suivante consiste à utiliser le modèle et l'emplacement de chaque source de chaleur, carte de circuit imprimé, surface de la coque et d'autres facteurs pour effectuer une modélisation plus complexe de l'ensemble du produit et de son emballage.
Enfin, la modélisation doit résoudre deux problèmes :
Le problème de la dissipation crête et moyenne. Par exemple, un composant en régime permanent avec une dissipation thermique continue de 1 W et un appareil avec une dissipation thermique de 10 W mais avec un cycle de service intermittent de 10 % ont des effets thermiques différents.
C'est-à-dire que la dissipation de chaleur moyenne est la même et que la masse de chaleur et le flux de chaleur associés produiront des distributions de chaleur différentes. La plupart des applications CFD peuvent combiner l'analyse statique et dynamique.
L'imperfection de la connexion physique entre la surface du composant et le modèle miniature, telle que la connexion physique entre le haut du boîtier IC et le dissipateur thermique.
Si la connexion a une faible distance, la résistance thermique de ce chemin augmentera, et il est nécessaire de remplir la surface de contact avec un tampon thermique 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.
Mais la gestion thermique est un concept intégré, si elle est décomposée dans ses moindres détails, c'est un vaste sujet.
Cela implique des compromis en termes de taille, de puissance, d'efficacité, de poids, de fiabilité et de coût. La priorité et les contraintes du projet doivent être évaluées.
