Resolvendo problemas de calor: Gestão Térmica de Eletrónica 101

No mundo eletrónico moderno, as coisas podem ser contadas em gigahertz, gigabytes e microns diminutos. Glorificamos os dispositivos mais rápidos, mais inteligentes e mais pequenos do que nunca. No entanto, sob o capô de todos os poderosos processadores, conversores de energia eficazes e módulos IoT em miniatura, há uma guerra que está a ser travada contra algo muito antigo e muito mau: o calor.

Quando não é controlado, este subproduto da energia eléctrica paralisa o desempenho, reduz a vida útil e conduz a falhas desastrosas. Quando não mata a inovação, é silencioso. Uma boa gestão térmica da eletrónica não é apenas um aspeto ou um complemento, mas é uma pedra angular da engenharia atual e é tão essencial como a própria conceção do circuito. Na verdade, as técnicas eficazes de gestão do calor são as que permitem que a eletrónica floresça em aplicações industriais difíceis, onde a fiabilidade é o principal fator.

O guia que se segue foi concebido para ser o seu 101 para conhecer e ultrapassar os desafios térmicos dos seus projectos. Quer se trate de um especialista em engenharia, de um designer de produtos ou de um fabricante empenhado, vamos guiá-lo através dos princípios fundamentais, das soluções disponíveis e dar-lhe o conhecimento para conceber produtos que não só são potentes, mas também frios de forma fiável, com um sistema de gestão térmica bem concebido.

Porque é que o calor é o assassino silencioso da eletrónica?

Para apreciar corretamente a gestão térmica, temos de compreender primeiro o que está em jogo. Quando a temperatura de um componente ultrapassa a sua temperatura de funcionamento, não se trata apenas de estar quente ao toque. Isto dá início a uma reação em cadeia de atividade física e eléctrica devastadora, particularmente quando as condições térmicas dentro de todo o sistema estão para além do intervalo de funcionamento seguro.

O efeito do excesso de calor pode ser melhor estimado utilizando um princípio que segue a equação de Arrhenius, segundo a qual, em eletrónica, a fiabilidade a longo prazo do dispositivo semicondutor diminui até metade com um aumento da temperatura de funcionamento de 10 °C (18 °F) acima da norma.

Não se trata de uma doença progressiva e fácil. Trata-se de uma depreciação geométrica que tem várias formas desastrosas:

• Limitação do desempenho: As CPUs e GPUs actuais são feitas para se auto-preservarem. Também diminuem automaticamente a velocidade do relógio quando é atingido um limite térmico, para minimizar a produção de calor. Para o consumidor final, isto significa atrasos, falhas de vídeo e uma experiência irritantemente lenta. O processador da próxima geração é obrigado a agir como parte de um processador da última geração.
• Degradação de componentes: Todos os componentes electrónicos envelhecem devido ao calor. O eletrólito nos condensadores evapora-se, alterando as suas caraterísticas eléctricas e causando a rutura do circuito. As finas almofadas de solda entre os componentes e a placa de circuito impresso podem fraturar e desenvolver micro-fracturas devido a milhares de ciclos térmicos. Noutros casos, podem ser utilizados materiais de elevada condutividade térmica para adiar essa rutura, mas não podem excluir o perigo inerente.
• Erros de sinal e de dados: A temperatura influencia as caraterísticas eléctricas dos materiais condutores. Em circuitos digitais de alta velocidade, pode causar alterações na temporização dos sinais, criando erros de dados esporádicos e difíceis de localizar que degradam a informação e criam instabilidade entre sistemas electrónicos.
• Falha catastrófica: Este é o resultado final. Um MOSFET ou um processador em eletrónica de potência é um componente crítico que sofre uma fuga térmica. A sua construção interior é destruída, o que provoca um curto-circuito e torna o dispositivo inutilizável.

O calor não é um problema incómodo; é um fator de risco de vida para a utilidade e o valor do seu produto.

Os Fundamentos: Como o calor realmente viaja

Para regular o calor, é preciso saber o que ele é. A energia térmica, ou energia calorífica, transfere a energia calorífica de um corpo quente para um corpo mais frio através de três mecanismos diferentes. Todos os três são simultâneos em qualquer dispositivo eletrónico real, e a eficiência desta ocorrência simultânea é frequentemente objeto das propriedades dos materiais e da conceção do sistema.

Condução: O efeito dominó através dos sólidos

Este processo implica a transferência de calor por contacto físico direto. Imagine uma fila de dominós. Quando um deles cai, a energia é transmitida ao longo da fila. Da mesma forma, numa substância sólida, quanto mais elevada for a temperatura de uma única secção, mais os átomos saltarão, colidindo com o ambiente circundante e transmitindo o calor. Estes materiais são bons condutores, como o cobre e o alumínio. Os materiais com fraca difusão, como o ar ou o plástico, são designados por isoladores.

Em eletrónica, a condução é a transferência de calor da matriz de silício de um chip, através da sua embalagem, para a placa de circuito impresso (PCB) ou para um dissipador de calor. Os engenheiros utilizam normalmente dissipadores de calor para aumentar a uniformidade do fluxo de calor numa área mais vasta para melhorar este processo.

Convecção: Aproveitando a onda de fluidos (como o ar)

O processo de transferência de calor através da mudança de localização de fluidos (incluindo líquidos e gases, como o ar) é designado por convecção. Quando o ar quente entra em contacto com o ar, ganha calor por condução, perde densidade e sobe como ar quente. O ar mais denso e frio flui então para o substituir, num processo conhecido como corrente de convecção natural. Quando provocamos este movimento com a utilização de uma ventoinha, referimo-nos à convecção forçada. Este processo aumenta consideravelmente a velocidade do processo e é o princípio da maioria dos soluções de arrefecimento ativoque são frequentemente optimizados através de um estudo cuidadoso da dinâmica dos fluidos.

Radiação: A onda de calor invisível

A radiação refere-se à transferência de calor através de ondas electromagnéticas, principalmente na gama dos infravermelhos. Não necessita de qualquer meio para passar, como a condução e a convecção, e pode mesmo ocorrer no vácuo. É desta forma que o Sol aquece a Terra. Todos os objectos com uma temperatura inferior ao zero absoluto emitem radiação térmica. A emissividade de uma superfície é determinada pela cor e pela textura do material, o que determina a eficácia do material radiante. Uma superfície preta, que é mate, é muito mais radiadora do que uma superfície brilhante e reflectora.

Uma visão geral das soluções de gestão térmica

Temos agora uma sólida compreensão do movimento do calor na atmosfera e podemos examinar a instrumentação do engenheiro para o controlar. Todas as soluções de gestão térmica podem ser divididas em dois grandes grupos, todos eles com os seus próprios instrumentos e aplicações. Vamos falar de ambos, começando pelo método mais básico e seguro. Em todos os casos anteriores, a ideia é criar um sistema de arrefecimento sólido que se adeqúe aos requisitos do dispositivo.

Arrefecimento passivo: A primeira linha de defesa

A gestão térmica baseia-se em soluções de arrefecimento passivo. Estas soluções não consomem energia, não produzem ruído e não têm partes móveis, pelo que são fiáveis por defeito.

O arrefecimento passivo tem como objetivo captar a máxima eficiência da convecção natural e da radiação para eliminar o calor. Os princípios destas técnicas são o simples arrefecimento do ar, que não necessita de ventoinhas, mas utiliza o fluxo de ar circundante.

Dissipadores de calor

O dispositivo de arrefecimento passivo mais comum é o dissipador de calor. Trata-se de um trabalho de metal condutor de calor (normalmente alumínio ou cobre) sob a forma de aletas ou pinos. É tão simples e brilhante no seu objetivo de aumentar drasticamente a área de superfície na qual o calor pode ser conduzido para o ar adjacente através da convecção. O calor pode ser dissipado de forma muito mais eficiente, transferindo-o para a grande área de superfície de um dissipador de calor por meio de convecção de uma peça de baixo volume e alta temperatura. As simulações térmicas são normalmente utilizadas pelos engenheiros para testar o desempenho dos seus projectos e para garantir que prevêem o fluxo de ar e são eficientes antes mesmo de serem feitos protótipos físicos.

Tubos de calor e câmaras de vapor

Os tubos de calor e as câmaras de vapor estão a ser utilizados quando a fonte de calor é altamente concentrada ou quando é necessário transportá-la para um dissipador de calor distante. São recipientes de cobre com um baixo volume de fluido de trabalho (como a água) e são selados a vácuo. O seu funcionamento é o seguinte:

1. Evaporação: Isto deve-se ao facto de a extremidade mais próxima do constituinte quente aquecer o fluido, que se evapora em vapor.
2. Transporte de vapor: O vapor no tubo é rapidamente transportado para o lado mais frio.
3. Condensação: O vapor condensa-se novamente na extremidade fria para voltar a transformar-se num líquido, que liberta todo o seu calor armazenado.
4. Retorno do pavio: O líquido é enviado de volta para a extremidade quente do tubo através de um fluxo capilar que ocorre numa estrutura de mecha formada nas paredes interiores do tubo, e o processo é repetido.

O processo de mudança de fase converte-os em "supercondutores térmicos", que são capazes de conduzir uma quantidade considerável de calor face a uma diferença mínima de temperatura.

Materiais de interface térmica (TIMs)

Mesmo duas superfícies que parecem perfeitamente planas a um nível microscópico têm pequenos picos e vales. Estas imperfeições formam pequenos espaços de ar quando esmagadas juntas. Estas lacunas formam um isolamento semelhante a uma manta, uma vez que o ar não é um bom condutor de calor, o que retém o calor. Os Materiais de Interface Térmica (TIM) destinam-se a resolver este problema. Estes espaços de ar são preenchidos com materiais termicamente condutores (como massas lubrificantes, almofadas ou materiais de mudança de fase) para proporcionar um caminho condutor eficaz entre o componente e o seu dissipador de calor.

Arrefecimento ativo: Quando o passivo não é suficiente

Com o aumento do nível de potência térmica de projeto (TDP) dos componentes e a diminuição do tamanho dos invólucros dos produtos, chega-se a um ponto em que o arrefecimento passivo deixa de ser capaz de arrefecer eficazmente o calor com a rapidez suficiente. É aqui que entra em jogo o arrefecimento ativo. Para acelerar o processo de transferência de calor, estas soluções utilizam energia (normalmente eléctrica).

Ventiladores e sopradores: Forçar a convecção em ação

A convecção forçada é a técnica de arrefecimento ativo mais popular. Com a adição de uma ventoinha ou de um ventilador, o volume de ar frio que passa sobre um dissipador de calor pode aumentar drasticamente em 10 vezes ou mais, e pode também aumentar a capacidade de dissipação de calor do dissipador.

• Ventiladores axiais: Estes são os mais comuns, que transmitem o ar de forma paralela ao eixo de rotação. São muito bons para transferir grandes quantidades de ar a baixa pressão, como é o caso de uma caixa de computador.
• Sopradores centrífugos: Este tipo de ventilador puxa o ar para dentro através do centro e expulsa o ar a 90 graus. Produzem maior pressão, pelo que são adequados para pressionar o ar através de dissipadores de calor espessos ou outros compartimentos de tamanho limitado.

A seleção baseia-se na aplicação. Os centros de dados de grande escala têm grandes ventiladores, que controlam o fluxo de ar em todo o sistema. No entanto, o problema caraterístico da eletrónica atual é a constante diminuição da densidade de potência em dispositivos de pequena dimensão. Um ventilador de grandes dimensões não cabe num computador de IA de ponta, num scanner médico de mão ou num drone de alta potência. Neste caso, o conceito de força bruta não pode ser utilizado, pelo que é necessário produzir ventiladores extensivamente optimizados e compactos que possam ser utilizados para arrefecer com precisão.

Arrefecimento líquido e muito mais

O ar já não é adequado no caso dos desafios térmicos mais extremos. O arrefecimento por líquido utiliza o facto de os fluidos, como a água, terem uma capacidade térmica significativamente maior do que o ar. Um sistema padrão envolve uma bomba para pulverizar um líquido de arrefecimento num bloco de água afixado ao componente quente. O líquido quente é então circulado para o radiador, onde a ventoinha arrefece o calor e o líquido frio flui de volta para o bloco.

Depois de ter sido a reserva dos PCs de topo de gama para jogos, o arrefecimento líquido é agora obrigatório em centros de dados, veículos eléctricos e dispositivos industriais de alta potência. Neste caso, a dinâmica de fluidos computacional é frequentemente utilizada para prever os caudais e as quedas de pressão, onde é necessário o sistema de arrefecimento mais eficiente.

O papel do especialista: Porque é que os pequenos e médios fãs são fundamentais

É um facto que existe uma tendência para a miniaturização. Os produtos mais inovadores da atualidade, incluindo gateways IoT e dispositivos médicos portáteis, sistemas incorporados em veículos e aeronaves e pequenos computadores, caracterizam-se por colocar o máximo de capacidade de processamento possível num tamanho reduzido. Isto deixa um problema térmico terrível: os métodos de arrefecimento da velha escola, em grande escala, nem sequer são uma opção.

É aqui que a posição profissional dos ventiladores de pequena e média dimensão desempenha um papel decisivo. Não são apenas úteis porque são mais pequenos, mas também porque oferecem um conjunto de vantagens especiais aplicadas às exigências do design de produtos dos tempos modernos. Para conseguir uma gestão térmica bem sucedida nestes pequenos espaços, são necessárias soluções com precisão e não força bruta.

• Fluxo de ar de precisão: Em comparação com uma ventoinha grande que fornece um fluxo de ar amplo, uma ventoinha pequena pode ser colocada numa posição ideal para fornecer um fluxo de ar diretamente onde é necessário - num ponto quente, processador, módulo de alimentação ou chipset de alta velocidade. É o arrefecimento pontual, que é um método eficiente e direcionado.
• Espaço e fator de forma: Devido ao seu design de baixo perfil, ao sistema de formas (quadrado, redondo, tipo soprador) e aos baixos requisitos de montagem, os ventiladores podem ser instalados em montagens complexas e apertadas com poucos milímetros de sobra.
• Potência e acústica optimizadas: As ventoinhas SME são fabricadas com outra missão. São fabricadas para proporcionar o arrefecimento necessário e consumir muito pouca energia e ruído acústico, o que é muito importante para os dispositivos que são facilmente transportados, que estão numa posição virada para o utilizador ou que trabalham num ambiente silencioso.

ACDC FAN: O seu parceiro em soluções de refrigeração compactas

Para resolver estes problemas térmicos apertados é necessário mais do que um mini-ventilador; é necessário um parceiro de engenharia profissional que saiba o que está em jogo.

A ACDC FAN constrói soluções que são feitas para resistir. Os seus ventiladores, que utilizam tecnologia de rolamentos de alta tecnologia, têm uma resistência muito superior a MTBF (tempo médio entre falhas) de mais de 70.000 horasPor isso, não se limitam a arrefecer o seu produto; protegem-no durante toda a sua vida útil. Nas aplicações altamente exigentes que requerem sistemas de armazenamento de alta energia ou eletrónica marítima, os nossos modelos de caixas seladas e com vácuo proporcionarão um serviço fiável em condições de humidade elevada ou subaquáticas.

No entanto, a fiabilidade não é toda a verdade. A verdadeira gestão térmica é inteligente. Os nossos clientes são fãs de Controlo de velocidade inteligente PWMque é diretamente compatível com o seu sistema MCU, proporcionando um método de arrefecimento eficaz, simultaneamente silencioso e eficiente em termos energéticos, graças ao nosso design de lâminas altamente aerodinâmico.

A nossa gama versátil de produtos 25mm a 254mm e completa certificação global (UL, CE, TUV, EMC, RoHS 2.0) é uma plataforma de qualidade e conformidade com a qual pode contar. O seu problema de conceção é único e o prazo é real. É por isso que garantimos uma solução preliminar em 12 horas. Obtenha uma solução para os seus problemas de refrigeração de pequena dimensão.

Factores-chave na sua estratégia global de arrefecimento

A escolha da solução térmica correta é um ato de equilíbrio. É uma equação multivariável em que se deve pesar o desempenho em relação ao custo, tamanho e fiabilidade. Antes de tomar uma decisão, utilize os seguintes factores como guia. Uma consideração adequada garante que a fiabilidade global do sistema nunca é comprometida.

Conclusão

O calor será algo a que nunca poderemos escapar devido à eletrónica que utilizamos para alimentar o nosso mundo. No entanto, não precisa de ser o assassino do desempenho ou o inimigo da fiabilidade. O calor excessivo e descontrolado será sempre um perigo tanto para o desempenho como para a durabilidade.

Uma vez que aprendeu a dança básica da condução, convecção e radiação para controlar os elementos de arrefecimento passivo e ativo, está agora em condições de avançar a todo o vapor quando se trata de resolver dilemas térmicos. A questão é que não deve ser visto apenas como uma reflexão posterior, mas sim como um aspeto importante do processo de conceção desde o início.

Se prestar muita atenção ao que precisa, analisar as soluções oferecidas e selecionar os componentes corretos para uma gestão térmica eficaz, poderá fabricar produtos que não só funcionarão mais rapidamente e de forma mais inteligente, mas também mais frescos e durante mais tempo. A arte do calor é uma experiência para toda a vida, mas quando se sabe como e quando se está com a empresa certa, é possível criar produtos electrónicos não só potentes, mas também duradouros.