Gestione termica dei PCB: Raffreddamento passivo e attivo

Perché il destino del vostro progetto dipende dalla gestione termica del PCB

Anche se un componente con una durata nominale di 10 anni a 70 °C viene fatto funzionare a 90 °C, la sua vita sarebbe di soli 2,5 anni. Questo debito termico porta a:

• Strozzatura delle prestazioni: Le CPU e le GPU riducono le loro prestazioni per evitare l'autodistruzione.
• Problemi di integrità del segnale: Le tracce dei circuiti stampati, le cui caratteristiche elettriche cambiano con la temperatura, diventano fonte di errori nei dati.
• Guasto dei componenti: I condensatori si asciugano, le saldature si rompono e le giunzioni di silicio si guastano.

Un efficace controllo termico dei circuiti stampati fornisce un buon condotto di calore verso il mondo esterno, dove il calore dovrebbe andare dopo essere uscito dalla fonte di calore, e serve come backup per evitare tali guasti. I progettisti esperti di circuiti stampati sono consapevoli del fatto che la gestione di dissipazione del calore su base progettuale, influisce positivamente sull'affidabilità del sistema e sulle sue prestazioni termiche.

Comprendere la gestione termica dei PCB passivi

La gestione termica passiva non utilizza energia aggiuntiva per raffreddare un dispositivo. Si basa esclusivamente sulle principali leggi della termodinamica: conduzione, convezione e irraggiamento, che sono alla base della conduzione del calore nei sistemi elettrici.

• Conduzione: Trasferimento di calore per contatto diretto (ad esempio, tra un componente e il circuito stampato).
• Convezione (naturale): Trasferimento di calore attraverso il movimento dell'aria. L'aria calda viene portata verso l'alto attraverso processi naturali e l'aria più fredda viene portata verso l'interno per prendere il posto dell'aria calda.
• Radiazioni: Trasferimento di calore attraverso la radiazione elettromagnetica.

L'obiettivo di una strategia passiva è quello di sfruttare al massimo questi processi naturali. È durevole (pochi componenti in movimento) e totalmente silenziosa. Queste tecniche richiedono una buona progettazione termica e una buona scelta dei materiali per garantire una buona dissipazione del calore senza sprechi di energia.

Tecniche chiave per la gestione termica dei PCB passivi

Il primo passo da compiere prima di inserire una ventola è quello di massimizzare la capacità di raffreddamento del PCB. È la base di tutti i piani di progettazione termica e uno dei motivi per cui una dissipazione efficace del calore è sempre la stessa.

Posizionamento strategico dei componenti: La prima linea di difesa

Il software di layout dei PCB è lo strumento termico più conveniente.

• Fonti e vittime sulla mappa: Determinare i componenti caldi (CPU, FPGA, regolatori di potenza) e i componenti sensibili (condensatori, oscillatori).
• Spazio: Non collocare i componenti caldi a distanza ravvicinata, in quanto si forma un punto caldo. La loro distribuzione fa sì che il circuito stampato sia un diffusore naturale di calore.
• Rispettare il flusso d'aria: posizionare le parti sensibili lontano dal percorso di scarico delle parti calde. Non collocare un regolatore da 10W in vista di un banco di condensatori sensibili.
• Telaio come dissipatore di calore: Fissare le parti calde vicino al bordo della scheda in modo che possano essere collegate termicamente con l'involucro metallico. Questo accoppiamento e l'efficienza della conduzione termica complessiva sono migliorati dalla scelta di materiali adeguati, ad esempio strati di rame ad alta conduttività.

Sfruttare il rame: Vialetti termici e piani di rame

Il substrato FR-4 è un isolante termico (~0,25 W/mK). Il rame è un conduttore termico (~400 W/mK). Il vostro obiettivo è usare il rame per creare una superstrada termica.

• Versamenti di rame: Utilizzare piani di rame solidi e di grandi dimensioni (terra e potenza) come diffusori di calore. Uno strato di rame da 2 once (70 µm di spessore) ha una resistenza termica significativamente inferiore rispetto a uno strato da 1 oz (35 µm) e migliora notevolmente la diffusione laterale del calore.
• Viali termici: Si tratta di elementi critici. Una via termica è una serie di vias posizionati sotto il pad termico di un componente, "cucendolo" a un grande piano di rame su un altro strato. In questo modo il calore viene trasferito attraverso l'isolante FR-4 a una superficie più ampia (come un piano di massa interno) dove può essere diffuso. Per ottenere il massimo effetto, utilizzate progetti di via-in-pad e integrateli in una fase precoce del layout del PCB.

Il ruolo dei dissipatori di calore (Heatsinks): Migliorare la convezione naturale

Quando la superficie di un componente non è sufficiente, si aggiunge un dissipatore di calore. Il dissipatore di calore è un componente passivo che aumenta notevolmente la superficie disponibile per la convezione naturale.

Più superficie significa più contatto con l'aria e più calore trasferito. Per la convezione naturale, sono necessari dissipatori di calore con alette alte e relativamente rade per incoraggiare l'aria a salire tra di esse senza intrappolarla. Se combinati con solidi principi di progettazione termica, questi metodi garantiscono una dissipazione del calore costante ed efficace.

Il prossimo livello: Cosa definisce la gestione termica attiva dei PCB?

Quindi avete ottimizzato il layout, utilizzate rame da 2 oz e avete anche aggiunto un dissipatore di calore, ma il dispositivo si surriscalda ancora?

È qui che il raffreddamento passivo è limitato. Il raffreddamento passivo dipende dalla differenza di temperatura naturale tra il dissipatore di calore e l'aria circostante. Quando il componente produce un calore eccessivo o l'aria circostante è già calda, la convezione naturale non è altrettanto efficace nel sostenere prestazioni ottimali o trasferimenti di calore costanti all'interno del sistema.

Gestione termica attiva può essere caratterizzata dall'immissione di energia nel sistema, come ventole o pompe, per provocare il meccanismo di trasferimento del calore. Sostituisce la debole convezione naturale con una convezione forzata molto più forte, che è oggi uno dei migliori metodi di controllo termico nell'ingegneria elettronica.

Tecniche chiave per l'implementazione della gestione termica attiva dei PCB

Le misure attive consistono in semplici ventole e sistemi di raffreddamento a liquido altamente sofisticati, tutti volti a migliorare il flusso di calore e la dissipazione del calore in spazi ad alta potenza o compatti.

Raffreddamento ad aria forzata: Il ruolo di ventilatori e soffianti

È il raffreddamento attivo più diffuso e meno costoso. L'aria fredda all'interno e l'aria calda all'esterno, grazie all'aggiunta di una ventola, sono in grado di mantenere le temperature costanti, anche dove non c'è movimento d'aria, come ad esempio ai lati del pannello, dove il calore intrappolato potrebbe salire.

Nella scelta di un ventilatore, è necessario fare due considerazioni:

1. Flusso d'aria (CFM - Cubic Feet per Minute): La quantità di aria che la ventola può trasferire in un'area vuota. I telai grandi e aperti si raffreddano meglio con un'elevata CFM.
2. Pressione statica (mmH 2 O): La quantità di forza che la ventola può esercitare contro la resistenza. Il flusso d'aria è ostacolato in uno spesso chassis di server 1U. Per spostare l'aria e mantenere una buona circolazione in aree ristrette, è necessario un ventilatore ad alta pressione statica (detto anche soffiatore) per spingere l'aria dove è necessaria.

Raffreddamento a liquido: Piastre fredde e sistemi a circuito chiuso

In caso di carichi termici estremi (ad esempio, centri dati ad alte prestazioni), l'aria non è sufficiente come mezzo di raffreddamento. La capacità termica dell'acqua è superiore a quella dell'aria di oltre 3.000 volte.

Un sistema di raffreddamento a liquido prevede il pompaggio di un liquido refrigerante attraverso una piastra fredda collegata alla parte calda. Il calore viene assorbito dal liquido, pompato in un radiatore (dove le ventole raffreddano il liquido) e il liquido freddo viene restituito. Questo approccio di controllo termico ad alta tecnologia mantiene l'uniformità del flusso di calore attraverso il loop e offre un ambiente termico stabile di sistemi ad alte prestazioni, anche in sistemi difficili.

Soluzioni avanzate: Tubi di calore e raffreddatori termoelettrici (TEC)

• Tubi di calore: Si tratta di superconduttori di calore. Il tubo di rame chiuso contiene un liquido che, acquisendo calore, bolle e fluisce come vapore verso la cosiddetta estremità fredda, si condensa e cede il suo calore. Il liquido viene riciclato nell'estremità calda. Sono anche molto utili per trasportare il calore nelle aree più strette o sul lato della scheda fino a un dissipatore di calore distante che la ventola può gestire.
• Raffreddatori termoelettrici (Peltier): Si tratta di piccole pompe di calore che sono dispositivi a stato solido. L'applicazione di una corrente lascia un lato freddo e l'altro caldo. Vengono applicati per raffreddare in modo mirato particolari sensori, ma in genere sono inefficaci perché introducono il loro stesso calore nel sistema, pur contribuendo a migliorare la dissipazione del calore in aree localizzate.

Raffreddamento passivo e attivo Testa a Testa

Un compromesso di progettazione è la scelta tra raffreddamento passivo e attivo. Ecco come si comportano.

Il punto di svolta: Quando il raffreddamento passivo non è sufficiente

Avete toccato il fondo. Le vostre simulazioni indicano che la temperatura del vostro componente sta raggiungendo la zona rossa (>100°C). Questo accade spesso a causa di:

1. Alta densità di potenza (TDP): Il componente produce un calore eccessivo in una dimensione troppo piccola.
2. Alta temperatura ambiente: Il dispositivo viene collocato in un luogo caldo (uno stabilimento o un'automobile).
3. Involucro sigillato: Il design deve essere a tenuta stagna contro la polvere o l'acqua (ad es, IP67); cioè, non c'è alcun impianto di aerazione.

Ora è il momento di passare a una soluzione attiva. Tuttavia, questo comporta nuovi problemi di rumore, affidabilità e polvere.

La soluzione attiva: Raffreddamento affidabile per progetti compatti di ACDCFAN

La scelta di una soluzione attiva non consiste semplicemente nell'inserire una ventola qualsiasi, ma nell'inserire la ventola corretta che risolva il problema termico e non crei un nuovo problema di calore.

Questo è il problema che ACDFAN è stato costruito per risolvere. I nostri ventilatori sono modelli ad alta affidabilità utilizzati in progetti in cui c'è mancanza di spazio e il guasto non è un'opzione.

• Risolvere l'affidabilità: Il timore dell'affidabilità è quello, più comune, del guasto dei ventilatori. Abbiamo la nostra tecnologia di base, che utilizza i cuscinetti a sfera più avanzati ed è quindi in grado di arrivare fino a un MTBF (tempo medio tra i guasti) superiore a 70.000 ore. Si tratta di quasi 8 anni di servizio 24 ore su 24, 7 giorni su 7, il che garantisce che la durata del nostro ventilatore sarà la stessa del vostro prodotto.
• Risolvere i problemi degli ambienti difficili: In ambienti polverosi, umidi o ad alta quota, le nostre Ventole incapsulate resistenti alla polvere e all'acqua con grado di protezione IP68 può offrire la massima protezione del settore.
• Efficienza del rumore di produzione: Una ventola a velocità 100% è rumorosa e consuma energia. Controllo intelligente della velocità PWM (Pulse Width Modulation) è incorporato nelle nostre ventole. In questo modo, il sistema può richiedere un raffreddamento su richiesta, funzionando silenziosamente a basso carico e aumentando il carico solo in condizioni termiche estreme. Questo, insieme a un design superiore delle pale, garantisce il massimo raffreddamento con il minimo rumore.

Offriamo una soluzione, non un componente. Come design completamente conforme (RoHS 2.0, UL, CE, TUV, EMC)Possiamo fornire una soluzione tecnica provvisoria al vostro progetto. entro 12 ore.

Come decidere la strategia di raffreddamento dei PCB più adatta a voi?

Questo quadro decisionale dovrebbe essere utilizzato per definire la prima strategia.

Conclusione

La gestione termica dei circuiti stampati è una questione di equilibrio. Non si tratta di scegliere tra "passivo" e "attivo"; si tratta di partire da una solida base passiva e di sapere quando costruirla con una soluzione attiva intelligente.

Ottimizzando il layout e sfruttando il rame del circuito stampato, i progettisti di circuiti stampati possono creare una resilienza termica "gratuita". Ma quando la fisica impone che il passivo non è sufficiente, una soluzione di raffreddamento attivo di alta qualità non è un compromesso, è un fattore abilitante. È ciò che vi permette di spingere con fiducia i limiti delle prestazioni, sapendo che il vostro progetto è protetto da una gestione termica efficace e guidato da pratiche di dissipazione del calore.