전원 공급 장치의 주요 열 관리 솔루션
열 관리는 물리학의 기본 원리를 따릅니다. 열 전도에는 복사, 전도 및 대류의 세 가지 방법이 있습니다.
대부분의 전자 시스템에서 필요한 냉각을 달성하려면 먼저 열이 전도에 의해 열원을 떠나게 한 다음 대류에 의해 다른 장소로 전달합니다.
열 설계를 수행할 때 필요한 전도 및 대류를 효과적으로 달성하기 위해 다양한 열 관리 하드웨어를 결합해야 합니다.
가장 일반적으로 사용되는 냉각 구성 요소는 방열판, 열 파이프 및 팬의 세 가지입니다.
방열판과 히트 파이프는 전원 공급 장치가 없는 수동 냉각 시스템이고 팬은 능동 강제 공기 냉각 시스템입니다.
라디에이터는 전도를 통해 열원에서 열을 얻고 열을 공기 흐름(일부 경우에는 물 또는 기타 액체)으로 전달하여 대류를 달성할 수 있는 알루미늄 또는 구리 구조입니다.
방열판은 단일 트랜지스터를 연결하는 작은 스탬핑 금속 핀부터 대류 공기 흐름을 차단하고 열을 전달할 수 있는 핀(손가락)이 많은 대형 압출에 이르기까지 수천 가지 크기와 모양으로 제공됩니다.
라디에이터는 움직이는 부품, 운영 비용, 고장 모드 등이 없다는 장점이 있습니다.
라디에이터가 열원에 연결되면 따뜻한 공기가 상승함에 따라 자연적으로 대류가 발생하여 공기 흐름이 시작되고 계속 형성됩니다.
라디에이터는 사용하기 쉽지만 몇 가지 단점이 있습니다.
큰 열을 전달하는 라디에이터는 크고 비용이 많이 들고 무거우며 올바르게 배치해야 합니다. 이는 회로 기판의 물리적 레이아웃에 영향을 미치거나 제한합니다.
핀이 공기 흐름의 먼지로 인해 막혀 효율성이 떨어질 수 있습니다.
열원에서 라디에이터로 열이 원활하게 흐를 수 있도록 열원에 제대로 연결되어야 합니다.
히트 파이프
이는 열 관리 제품군의 또 다른 중요한 구성 요소로, 어떤 형태의 능동 강제 메커니즘 없이도 A 지점에서 B 지점으로 열을 전달할 수 있습니다.
그것은 소결 코어와 작동 유체의 밀봉된 금속 튜브를 포함합니다. 자체적으로는 라디에이터 역할을 하지 않습니다. 그 기능은 열원에서 열을 흡수하여 더 추운 지역으로 전달하는 것입니다.
히트 파이프는 열원 근처에 라디에이터를 배치할 공간이 충분하지 않거나 공기 흐름이 불충분할 때 사용할 수 있습니다. 히트파이프는 작업 효율이 높고 열원에서 관리하기 편리한 곳으로 열을 전달할 수 있습니다.
작동 원리는 간단하고 독창적입니다.
열원은 작동 유체를 밀봉된 튜브에서 증기로 변환하고 증기는 열을 히트 파이프의 더 차가운 끝으로 전달합니다. 이 끝에서 증기는 액체로 응축되어 열을 방출하는 반면 유체는 더 뜨거운 끝으로 돌아갑니다.
이 기액 변환 프로세스는 지속적으로 실행되며 콜드 엔드와 핫 엔드 사이의 온도 차이에 의해서만 구동됩니다. 콜드 엔드에 라디에이터 또는 기타 냉각 장치를 연결하면 공기 흐름이 차단되는 국소 핫스팟의 방열 문제를 해결할 수 있습니다.
팬
패시브 라디에이터 및 히트 파이프를 제외하고 강제 공랭식 능동 방열판을 향한 첫 번째 단계이지만 팬에도 다음과 같은 단점이 있습니다.
높은 비용, 공간 필요, 시스템 소음 증가;
실패하기 쉽고 에너지를 소비하며 전체 시스템의 효율성에 영향을 미칩니다.
그러나 많은 경우, 특히 기류 경로가 곡선이거나 수직이거나 매끄럽지 않은 경우 일반적으로 충분한 기류를 얻을 수 있는 유일한 방법입니다.
팬의 용량을 정의하는 주요 매개변수는 분당 공기의 단위 길이 또는 단위 체적 유량입니다.
그러나 물리적 크기가 문제입니다. 회전 속도가 낮은 대형 팬은 회전 속도가 높은 소형 팬과 동일한 공기 흐름을 생성할 수 있으므로 크기와 속도 간에 균형이 있습니다.
모델링 및 종합 시뮬레이션
별도의 패시브 시스템은 크기가 더 크지만 더 안정적이고 효율적이며 패시브 냉각을 단독으로 사용할 수 없는 상황에서 팬이 역할을 할 수 있습니다.
냉각을 위해 선택할 시스템은 종종 어려운 결정입니다.
이때 효율적인 열관리 전략에 필수적인 모델링과 시뮬레이션을 통해 필요한 냉각 공기량과 냉각 방법을 결정하는 것이 필요합니다.
미니어처 모델의 경우 열원과 열 흐름 경로는 열 저항으로 특성화되고 열 저항은 사용된 재료, 품질 및 크기에 따라 결정됩니다.
모델링은 열원에서 열이 어떻게 흐르는지 보여주고 자체 열 발산으로 인해 열 사고를 일으키는 구성 요소를 평가하는 첫 번째 단계이기도 합니다.
예를 들어, 높은 방열 IC, MOSFET 및 IGBT와 같은 장치 공급업체는 일반적으로 열원에서 장치 표면까지의 열 경로에 대한 세부 정보를 제공할 수 있는 열 모델을 제공합니다.
각 구성 요소의 열 부하를 알고 나면 다음 단계는 간단하면서도 복잡한 거시적 수준에서 모델링하는 것입니다.
다양한 열원을 통과하는 공기 흐름의 크기를 조정하여 온도를 허용 한계 이하로 유지하십시오. 공기 온도, 강제되지 않은 공기 흐름 사용 가능한 흐름, 팬 공기 흐름 및 기타 요소를 사용하여 온도 상황을 대략적으로 이해하기 위한 기본 계산을 수행합니다.
다음 단계는 각 열원, PC 보드, 쉘 표면 및 기타 요소의 모델 및 위치를 사용하여 전체 제품 및 포장에 대한 보다 복잡한 모델링을 수행하는 것입니다.
마지막으로 모델링은 두 가지 문제를 해결해야 합니다.
피크 및 평균 소산 문제. 예를 들어, 연속 열 손실이 1W인 정상 상태 구성 요소와 열 손실이 10W이지만 간헐적 듀티 사이클이 10%인 장치는 열 효과가 다릅니다.
즉, 평균 열 발산은 동일하고 관련 열 질량 및 열 흐름은 다른 열 분포를 생성합니다. 대부분의 CFD 응용 프로그램은 정적 및 동적 분석을 결합할 수 있습니다.
IC 패키지 상단과 방열판 사이의 물리적 연결과 같이 부품 표면과 미니어처 모델 간의 물리적 연결이 불완전합니다.
연결 거리가 짧으면 이 경로의 열 저항이 증가하고 경로의 열전도율을 높이기 위해 접촉면을 열 패드로 채워야 합니다.
열 관리는 전원 공급 장치 및 내부 환경의 구성 요소 온도를 낮추어 제품 수명을 연장하고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.
그러나 열 관리는 통합된 개념이며 세부 사항으로 세분화하면 큰 주제입니다.
여기에는 크기, 전력, 효율성, 무게, 신뢰성 및 비용의 절충안이 포함됩니다. 프로젝트의 우선 순위와 제약 조건을 평가해야 합니다.
