Управление тепловым режимом печатной платы: Пассивное и активное охлаждение

Почему судьба вашего проекта зависит от терморегулирования печатной платы

Даже если деталь, рассчитанная на 10 лет работы при температуре 70 °C, будет эксплуатироваться при 90 °C, срок ее службы составит всего 2,5 года. Такая тепловая задолженность приводит к:

• Дросселирование производительности: Процессоры и графические процессоры снижают свою производительность, чтобы избежать самоуничтожения.
• Проблемы целостности сигнала: Трассы печатной платы, электрические характеристики которых меняются при изменении температуры, становятся источником ошибок в данных.
• Выход из строя компонентов: Конденсаторы высыхают, паяные соединения трескаются, а кремниевые переходы выходят из строя.

Эффективный термоконтроль печатной платы обеспечивает хороший канал для отвода тепла во внешний мир, куда оно должно попасть после выхода из источника тепла, и служит в качестве резервного средства для предотвращения подобных сбоев. Опытные разработчики печатных плат знают, что управление рассеивание тепла в соответствии с проектом положительно влияет на надежность системы и ее тепловые характеристики.

Понимание теплового управления пассивными печатными платами

Пассивная терморегуляция не требует дополнительной энергии для охлаждения устройства. Оно основано исключительно на основных законах термодинамики: кондукции, конвекции и излучении - все они лежат в основе теплопроводности в электрических системах.

• Проведение: Теплопередача при прямом контакте (например, между компонентом и печатной платой).
• Конвекция (естественная): Передача тепла за счет движения воздуха. Горячий воздух поднимается вверх благодаря естественным процессам, а на его место поступает более холодный.
• Радиация: Перенос тепла с помощью электромагнитного излучения.

Цель пассивной стратегии - максимально использовать эти естественные процессы. Она долговечна (мало движущихся компонентов) и абсолютно бесшумна. Эти методы требуют хорошего теплового дизайна и правильного выбора материалов, чтобы обеспечить хороший отвод тепла без лишних затрат энергии.

Основные методы управления тепловым режимом пассивных печатных плат

Первым шагом перед установкой вентилятора будет максимизация охлаждающей способности вашей печатной платы. Это основа всех планов теплового проектирования и одна из причин, по которой эффективное рассеивание тепла всегда одинаково.

Стратегическое размещение компонентов: Ваша первая линия обороны

Программное обеспечение для разводки печатных плат - это самый доступный инструмент для термообработки.

• Источники и жертвы на карте: Определите горячие компоненты (процессоры, ПЛИС, регуляторы мощности) и чувствительные компоненты (конденсаторы, осцилляторы).
• Пространство: Не располагайте горячие компоненты вплотную друг к другу, так как в этом случае образуется горячая точка. Их распределение приводит к тому, что печатная плата является естественным распространителем тепла.
• Уважайте воздушный поток: Располагайте чувствительные части вдали от путей выхлопа горячих деталей. Не размещайте 10-ваттный регулятор в зоне видимости чувствительного блока конденсаторов.
• Шасси в качестве радиатора: Закрепите горячие детали рядом с краем платы, чтобы обеспечить их тепловую связь с металлическим корпусом. Эта связь и эффективность общей теплопроводности улучшаются благодаря правильному выбору материала, например, медных слоев с высокой проводимостью.

Использование меди: Тепловые диафрагмы и медные плоскости

Ваша подложка FR-4 является теплоизолятором (~0,25 Вт/мК). Ваша медь - теплопроводник (~400 Вт/мК). Ваша цель - использовать медь для создания тепловой супермагистрали.

• Медные наливки: Используйте большие сплошные медные плоскости (земля и питание) в качестве теплораспределителей. Слой меди в 2 унции (толщиной 70 мкм) имеет значительно меньшее тепловое сопротивление, чем слой в 1 унцию (35 мкм), и значительно улучшает боковое рассеивание тепла.
• Термальные сосуды: Это очень важно. Тепловые проходы - это массив проходов, расположенных под тепловой площадкой компонента, "пришивая" ее к большой медной плоскости на другом слое. Таким образом, тепло передается через изоляционный слой FR-4 на большую поверхность (например, на внутреннюю плоскость заземления), где оно может быть распространено. Для достижения максимального эффекта используйте конструкции "via-in-pad" и интегрируйте их на ранних этапах разводки печатной платы.

Роль теплоотводов (радиаторов): Усиление естественной конвекции

Когда площади поверхности самого компонента недостаточно, добавляется теплоотвод. Теплоотвод - это пассивный компонент, который значительно увеличивает площадь поверхности, доступную для естественной конвекции.

Большая площадь поверхности означает больший контакт с воздухом и больший отвод тепла. Для естественной конвекции необходимы радиаторы с относительно редкими и высокими ребрами, чтобы воздух поднимался между ними, не задерживая его. В сочетании с надежными принципами теплового проектирования эти методы обеспечивают стабильный и эффективный отвод тепла по всей поверхности.

Следующий уровень: Что определяет активное терморегулирование печатной платы?

Итак, вы оптимизировали компоновку, используете 2 унции меди и даже добавили теплоотвод, а ваше устройство все равно перегревается?

Именно здесь пассивное охлаждение ограничено. Пассивное охлаждение зависит от естественной разницы температур между радиатором и окружающим воздухом. Если компонент выделяет чрезмерное количество тепла или окружающий воздух уже нагрелся, естественная конвекция не так эффективна для поддержания оптимальной производительности или постоянного теплообмена в системе.

Активное управление тепловым режимом можно охарактеризовать как подачу энергии в систему, например, вентиляторами или насосами, для того чтобы вызвать механизм теплопередачи. Она заменяет слабую естественную конвекцию гораздо более сильной принудительной конвекцией, которая на сегодняшний день является одним из лучших методов теплового контроля в электронной технике.

Ключевые методы реализации активного терморегулирования печатных плат

Активные меры включают в себя простые вентиляторы и сложные системы жидкостного охлаждения - все они направлены на усиление теплового потока и лучший отвод тепла в мощных и компактных помещениях.

Принудительное воздушное охлаждение: Роль вентиляторов и воздуходувок

Это самый распространенный и недорогой способ активного охлаждения. Холодный воздух внутри и горячий воздух снаружи нагнетаются вентилятором, поэтому они способны поддерживать постоянную температуру даже там, где воздух не движется, например, на боковой поверхности платы, где может подниматься тепло.

Выбирая вентилятор, вы должны учесть две вещи:

1. Расход воздуха (CFM - кубические футы в минуту): Количество воздуха, которое вентилятор может перемещать в пустом пространстве. Большие и открытые корпуса лучше всего охлаждаются с высоким CFM.
2. Статическое давление (mmH 2 O): Сила, с которой вентилятор может противостоять сопротивлению. Поток воздуха затруднен в толстом серверном шасси высотой 1U. Для перемещения воздуха и поддержания хорошей циркуляции в замкнутых пространствах требуется вентилятор высокого статического давления (также называемый воздуходувкой), который будет нагнетать воздух туда, куда нужно.

Жидкостное охлаждение: Холодные пластины и системы с замкнутым контуром

При экстремальных тепловых нагрузках (например, в высокопроизводительных центрах обработки данных) воздух не подходит в качестве охлаждающей среды. Теплоемкость воды превышает теплоемкость воздуха более чем в 3 000 раз.

Система жидкостного охлаждения предполагает прокачку охлаждающей жидкости через холодную пластину, прикрепленную к горячей детали. Тепло поглощается жидкостью, подается в радиатор (где вентиляторы охлаждают жидкость), а холодная жидкость возвращается обратно. Этот высокотехнологичный подход к терморегулированию позволяет поддерживать равномерность теплового потока по всему контуру и обеспечивает стабильную тепловую среду высокопроизводительных систем, даже в сложных системах.

Передовые решения: Тепловые трубы и термоэлектрические охладители (TEC)

• Тепловые трубы: Это сверхпроводники тепла. В закрытой медной трубке находится жидкость, которая, приобретая тепло, закипает и в виде пара перетекает в так называемый холодный конец, конденсируется и отдает свое тепло. Жидкость возвращается в горячий конец. Они также отлично справляются с транспортировкой тепла в узкие места или на боковую сторону платы к удаленному радиатору, с которым может справиться вентилятор.
• Термоэлектрические охладители (Peltiers): Это небольшие тепловые насосы, представляющие собой полупроводниковые устройства. При подаче тока одна сторона остается холодной, а другая - горячей. Они применяются для точечного охлаждения определенных датчиков, но обычно неэффективны, поскольку выделяют собственное тепло в систему, но при этом способствуют улучшению теплоотдачи в локализованных областях.

Пассивное и активное охлаждение в сравнении

Компромисс в дизайне - это решение о пассивном или активном охлаждении. Вот как они соотносятся между собой.

Переломный момент: Когда пассивного охлаждения недостаточно

Вы достигли нижней границы. Моделирование показывает, что температура вашего компонента резко поднимается до красной зоны (>100°C). Это часто происходит из-за:

1. Высокая плотность мощности (TDP): Ваш компонент выделяет чрезмерное количество тепла при чрезмерно малом размере.
2. Высокая температура окружающей среды: Ваше устройство находится в жарком месте (на заводе или в автомобиле).
3. Герметичный корпус: Сайт дизайн должна быть герметичной, не пропускать пыль и воду (например, IP67); т.е. нет никакого воздушного снаряжения.

Настало время перейти к активным решениям. Однако при этом возникают новые проблемы, связанные с шумом, надежностью и пылью.

Активное решение: Надежное охлаждение для компактных конструкций от ACDCFAN

Выбор активного решения - это не просто установка любого вентилятора; это вопрос установки правильного вентилятора, который решит вашу тепловую проблему, а не создаст новую тепловую проблему.

Именно для решения этой проблемы и был создан ACDFAN. Наши вентиляторы - это высоконадежные модели, используемые в конструкциях, где не хватает места и отказ нежелателен.

• Решение проблемы надежности: Страх перед надежностью - самый распространенный - это выход из строя вентиляторов. В нашей основной технологии используются самые современные шарикоподшипники, что позволяет достигать до MTBF (среднее время наработки на отказ) более 70 000 часов. Это почти 8 лет работы в режиме 24/7, что гарантирует, что срок службы нашего вентилятора будет таким же, как и у вашего изделия.
• Решение для жестких условий эксплуатации: В пыльных, влажных или высокогорных условиях наши Пыле- и влагозащищенные герметичные вентиляторы со степенью защиты IP68 может предложить самую надежную защиту в отрасли.
• Шумовая эффективность производства: Скоростной вентилятор 100% шумит и потребляет энергию. Интеллектуальное управление скоростью с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) встроен в наши вентиляторы. Благодаря этому вы можете обеспечить системе охлаждение по требованию, бесшумную работу при низких нагрузках и увеличение нагрузки только в тяжелых температурных условиях. В сочетании с превосходной конструкцией лопастей это обеспечивает максимальное охлаждение при минимальном уровне шума.

Мы предлагаем решение, а не компонент. Как полностью соответствующая требованиям (RoHS 2.0, UL, CE, TUV, EMC) конструкцияМы можем предоставить промежуточное техническое решение по вашему проекту в течение 12 часов.

Как решить, какая стратегия охлаждения печатной платы подходит именно вам?

Эта схема принятия решений должна использоваться для формирования вашей первой стратегии.

Заключение

Управление тепловым режимом печатной платы - это баланс. Это не выбор "пассивного" или "активного"; это начало работы с надежной пассивной основой и знание того, когда ее следует дополнить умным активным решением.

Оптимизируя разводку и используя медь печатной платы, разработчики печатных плат создают "бесплатную" термостойкость. Но когда физика диктует, что пассивного охлаждения недостаточно, высококачественное активное охлаждение - это не компромисс, а средство поддержки. Это то, что позволяет вам уверенно расширять границы производительности, зная, что ваша конструкция защищена эффективным терморегулированием и руководствуется разумными методами отвода тепла.