Principe de conception thermique de l'alimentation à découpage haute puissance
1. Pourquoi les produits électroniques ont besoin d'une solution thermique
Les puces des produits électroniques sont fortement intégrées, avec des exigences de plus en plus fonctionnelles et des exigences de volume de plus en plus faibles. Les composants d'aujourd'hui évoluent rapidement vers la miniaturisation, la haute fonctionnalité et le haut rendement. Les composants hautes performances génèrent beaucoup de chaleur à des vitesses élevées, et cette chaleur doit être évacuée immédiatement pour garantir que les composants peuvent fonctionner à des températures de fonctionnement normales. Fonctionne avec la plus grande efficacité. Par conséquent, la technologie connexe de la conduction thermique est constamment remise en question avec le développement de l'industrie électronique.
2. Types de matériaux de dissipateur de chaleur :
Or, argent, fer, cuivre, aluminium, alliage d'aluminium, feuille de silicone, etc.
3. Principe de dissipation thermique
La forme de dissipation thermique du radiateur A comprend principalement le rayonnement et la convection.
Transfert de chaleur par rayonnement: l'énergie thermique est transmise sous forme de rayonnement, sans aucun milieu, elle peut être transmise dans un état de vide, comme l'énergie thermique du soleil est transmise à la terre à travers l'univers.
Transfert de chaleur par convection : l'énergie thermique est transmise par l'air ou d'autres supports, tels que des radiateurs à convection, pour chauffer l'air. L'air chauffe tout dans la pièce et le mouvement de l'air repose principalement sur le mouvement de l'air pour diffuser l'énergie thermique.
Les radiateurs à rayonnement au sens traditionnel font référence aux radiateurs qui représentent une part relative de la dissipation thermique totale. À l'heure actuelle, les radiateurs rayonnants les plus courants sont la fonte, les radiateurs à colonnes en acier et les radiateurs composites cuivre-aluminium. Et ainsi de suite, parmi eux, l'énergie thermique transmise par rayonnement ne représente que 30%, et les 70% restants d'énergie thermique sont transmis par convection. Le radiateur à convection est un radiateur avec pratiquement aucun échange de chaleur par rayonnement (ou très petit), comme le radiateur à convection à tube de cuivre Fried. Il chauffe plus confortablement et plus rapidement qu'un radiateur radiant.
B. Les méthodes de dissipation thermique comprennent la dissipation thermique par rayonnement, la dissipation thermique par conduction, la dissipation thermique par convection et la dissipation thermique par évaporation.
La chaleur générée par divers tissus et organes du corps est uniformément répartie dans toutes les parties du corps avec la circulation sanguine. Lorsque le sang circule dans les vaisseaux sanguins de la peau, 90 % de la chaleur totale est dissipée par la peau, de sorte que la peau est la principale partie du corps à dissiper la chaleur. Il y a aussi une petite partie de la chaleur, qui est dissipée du corps par les poumons, les reins et le tube digestif avec la respiration, l'urine et les matières fécales.
(1) La voie de dissipation de la chaleur - principalement la voie physique
1. Radiation Radiation signifie que le corps dissipe de la chaleur en émettant des rayons infrarouges. Lorsque la température de la peau est supérieure à la température ambiante, la chaleur du corps est dissipée par rayonnement. La dissipation de la chaleur par rayonnement est liée à des facteurs tels que la température de la peau, la température ambiante et la zone de rayonnement efficace du corps. En général, la dissipation thermique par rayonnement représente 40 % de la dissipation thermique totale. Bien sûr, si la température ambiante est supérieure à la température de la peau, le corps absorbera la chaleur rayonnante. Les ouvriers de l'acier travaillent devant les fourneaux, tout comme les agriculteurs travaillant dans les champs sous le soleil de l'été chaud.
2. Conduction et convection La conduction est la façon dont le corps dissipe la chaleur en transférant l'énergie cinétique moléculaire. Lorsque le corps humain est en contact direct avec des objets plus froids que la peau (comme des vêtements, des lits, des chaises, etc.), la chaleur est transférée du corps vers ces objets. Cliniquement, l'utilisation de calottes glaciaires, de packs de glace et d'autres méthodes pour refroidir les patients ayant une forte fièvre utilise ce principe.
C, l'échange de chaleur entre le radiateur et l'environnement
Une fois la chaleur transférée vers le haut du radiateur, il est nécessaire de dissiper la chaleur transmise au milieu environnant dès que possible. Pour le radiateur refroidi par air, il s'agit d'échanger de la chaleur avec l'air ambiant. À ce moment, la chaleur est transférée entre deux milieux différents, et la formule suivie est Q= XAX ΔT, où ΔT est la différence de température entre les deux milieux, c'est-à-dire la différence de température entre le radiateur et l'air ambiant ; et est la différence de température du fluide. La conductivité thermique, une fois le matériau du dissipateur thermique et la composition de l'air déterminés, est une valeur fixe ; le plus important A est la zone de contact entre le dissipateur thermique et l'air. En supposant que les autres conditions restent inchangées, comme le volume du dissipateur thermique, il y aura généralement Cependant, en modifiant la forme du radiateur, en augmentant la surface de contact avec l'air et en augmentant la surface d'échange thermique, c'est un moyen efficace des moyens pour améliorer l'efficacité de la dissipation thermique. , Pour y parvenir, la surface est généralement augmentée au moyen d'une conception d'ailettes complétée par une rugosité de surface ou des filetages.
Une fois la chaleur transférée à l'air, la température de l'air en contact avec le dissipateur thermique augmentera rapidement. À ce moment, l'air chaud doit évacuer autant que possible la chaleur avec l'air froid environnant grâce à un échange de chaleur tel que la convection. Pour les radiateurs refroidis par air, le moyen le plus important est d'augmenter la vitesse du flux d'air et d'utiliser un ventilateur pour obtenir une convection forcée. Ceci est principalement lié à la conception du ventilateur et à la vitesse du vent. L'efficacité du ventilateur du radiateur (comme le débit, la pression du vent) dépend principalement du diamètre de la pale du ventilateur, de la longueur axiale, de la vitesse du ventilateur et de la forme de la pale du ventilateur. Le débit du ventilateur est principalement en CFM (système impérial, pieds cubes/minute), et un CFM est d'environ 0.028mm3/minute de débit.
Radiateur en aluminium pur
Le radiateur en aluminium pur est le radiateur le plus courant au début. Son procédé de fabrication est simple et son coût est faible. Jusqu'à présent, le radiateur en aluminium pur occupe toujours une part considérable du marché. Afin d'augmenter la zone de dissipation thermique de ses ailettes, la méthode de traitement la plus couramment utilisée pour les radiateurs en aluminium pur est la technologie d'extrusion d'aluminium, et les principaux indicateurs d'évaluation d'un radiateur en aluminium pur sont l'épaisseur de la base du radiateur et le rapport Pin-Fin . Pin fait référence à la hauteur des ailettes du dissipateur thermique et Fin fait référence à la distance entre deux ailettes adjacentes. Le rapport Pin-Fin est la hauteur du Pin (hors épaisseur de la base) divisée par le Fin. Plus le rapport Pin-Fin est grand, plus la zone de dissipation thermique effective du radiateur est grande et plus la technologie d'extrusion d'aluminium est avancée.
Radiateur en cuivre pur
La conductivité thermique du cuivre est 1,69 fois supérieure à celle de l'aluminium. Par conséquent, sous réserve que les autres conditions soient identiques, les dissipateurs thermiques en cuivre pur peuvent évacuer plus rapidement la chaleur de la source de chaleur. Cependant, la texture du cuivre est un problème. De nombreux "dissipateurs de chaleur en cuivre pur" annoncés ne sont pas vraiment 100% cuivre. Dans la liste des cuivres, ceux dont la teneur en cuivre est supérieure à 99 % sont appelés cuivre sans acide, et le grade de cuivre suivant est le cuivre Dan dont la teneur en cuivre est inférieure à 85 %. La plupart des dissipateurs thermiques en cuivre pur sur le marché ont actuellement une teneur en cuivre entre les deux. La teneur en cuivre de certains radiateurs en cuivre pur de qualité inférieure n'est même pas de 85 %. Bien que le coût soit très faible, sa conductivité thermique est fortement réduite, ce qui affecte la dissipation thermique. De plus, le cuivre présente également des défauts évidents, tels qu'un coût élevé, un traitement difficile et une trop grande masse du dissipateur thermique, qui entravent l'application de dissipateurs thermiques entièrement en cuivre. La dureté du cuivre rouge n'est pas aussi bonne que celle de l'alliage d'aluminium AL6063, et les performances de certains traitements mécaniques (comme le rainurage) ne sont pas aussi bonnes que celles de l'aluminium. le point de fusion du cuivre est beaucoup plus élevé que celui de l'aluminium, ce qui n'est pas propice au formage par extrusion (ExtrusiON) et ainsi de suite.
Bien que les matériaux de dissipateur thermique les plus couramment utilisés soient les alliages de cuivre et d'aluminium, les alliages d'aluminium sont faciles à traiter et peu coûteux, et sont les matériaux les plus largement utilisés. La conductivité thermique plus élevée du cuivre rend sa capacité d'absorption de chaleur instantanée meilleure que celle des alliages d'aluminium. La vitesse est plus lente que celle de l'alliage d'aluminium. Par conséquent, peu importe le radiateur en cuivre pur, en aluminium pur ou en alliage d'aluminium, il y a un défaut fatal : parce qu'un seul matériau est utilisé, bien que la capacité de dissipation thermique de base puisse répondre aux besoins d'une dissipation thermique douce, elle ne peut pas bien équilibrer la conduction thermique. . Les deux exigences de capacité et de capacité thermique sont quelque peu dépassées dans les cas où les exigences de dissipation thermique sont élevées.
Technologie de liaison cuivre-aluminium
Après avoir considéré les défauts respectifs du cuivre et de l'aluminium, certains radiateurs haut de gamme du marché utilisent souvent des procédés de fabrication combinés cuivre-aluminium. Ces dissipateurs thermiques utilisent généralement des bases métalliques en cuivre, tandis que les ailettes du dissipateur thermique sont en alliage d'aluminium. Bien sûr, en plus de la base en cuivre, il existe également des méthodes telles que l'utilisation de piliers en cuivre pour le dissipateur thermique, qui est également le même principe. Avec une conductivité thermique élevée, la surface inférieure en cuivre peut rapidement absorber la chaleur dégagée par le CPU ; les ailettes en aluminium peuvent être façonnées dans la forme la plus favorable pour la dissipation de la chaleur au moyen de processus complexes, et fournissent un grand espace de stockage de la chaleur et la libèrent rapidement. Un équilibre a été trouvé dans tous les aspects.
La chaleur est dissipée du cœur du processeur vers la surface du dissipateur thermique, qui est un processus de conduction thermique. Pour la base du dissipateur thermique, étant donné qu'elle est en contact direct avec une petite zone de source de chaleur élevée, il est nécessaire que la base puisse rapidement évacuer la chaleur. L'utilisation de matériaux à conductivité thermique plus élevée pour le dissipateur thermique est très utile pour améliorer la conductivité thermique. Il ressort du tableau de comparaison du système de conduction thermique que, par exemple, la conductivité thermique de l'aluminium est de 237 W/mK et la conductivité thermique du cuivre est de 401 W/mK. En comparant des radiateurs de même volume, le poids du cuivre est 3 fois supérieur à celui de l'aluminium, tandis que la chaleur spécifique de l'aluminium est 3 fois supérieure. C'est seulement 2,3 fois celui du cuivre, donc sous le même volume, un radiateur en cuivre peut contenir plus de chaleur qu'un radiateur en aluminium et chauffer plus lentement. Avec la même épaisseur de la base du dissipateur thermique, le cuivre peut non seulement éliminer rapidement la température des sources de chaleur telles que CPU Die, mais sa propre élévation de température est également plus lente que celle des dissipateurs thermiques en aluminium. Par conséquent, le cuivre est plus approprié pour fabriquer la surface inférieure du dissipateur thermique.
Cependant, l'association de ces deux métaux est relativement difficile, et l'affinité entre le cuivre et l'aluminium est faible. résistance thermique). Dans la conception et la fabrication réelles, les fabricants essaient toujours de réduire autant que possible la résistance thermique de l'interface et d'éviter les faiblesses, ce qui reflète souvent les capacités de conception et les processus de fabrication du fabricant.
4. Milieu thermique - gel de silice thermoconducteur.
un. Qu'est-ce que la résistance thermique ?
La soi-disant «résistance thermique» (résistance thermique) fait référence à un paramètre complet qui reflète la capacité à empêcher le transfert de chaleur. Le concept de résistance thermique est très similaire à celui de résistance, et l'unité est également similaire - degré /W, c'est-à-dire la différence de température entre les deux extrémités du chemin de conduction thermique lorsque la puissance de transfert de chaleur continue de l'objet est de 1W .
b. La résistance thermique de l'air est la plus grande de la nature et sa valeur est proche de 0.03W/mK ;
c. Remplissez l'espace entre le corps chauffant et le dissipateur thermique métallique pour réduire l'air, de sorte que le corps chauffant et le dissipateur thermique présentent une dissipation thermique par convection directe.
d. La feuille de silicone thermoconductrice peut également dissiper la chaleur indirectement, c'est-à-dire qu'elle est exposée à l'extérieur, on l'appelle donc un dissipateur thermique.
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