Vestavěná řešení regulace tepla na desce

Zvýšené zpracování na okraji sítě, výkonová vylepšení a miniaturizace vestavěných platforem vedly ke zvýšení spotřeby energie a generování tepla, čímž se vytvořily nejteplejší body (thermal hotspot). Tepelné namáhání může výrazně snížit výkon vestavěných systémů a dokonce způsobit selhání celého systému. Dlouhodobé vystavení nadměrnému působení tepla také snižuje životnost elektronických součástek.

Pochopení technik regulace tepla má zásadní význam pro udržení zařízení v optimálním provozním stavu. Pokroky v elektronickém průmyslu vyvolaly potřebu inovativních technologií regulace tepla s cílem zvýšení spolehlivosti a výkonu systému. Podle analýzy společnosti Market Research Future se očekává, že globální trh regulace do roku 2030 dosáhne 20,3 miliardy USD a mezi lety 2022 a 2030 poroste o 8 procent složené roční míry růstu (CAGR).

Z důvodů tepla generovaného během provozu má tepelné příslušenství zásadní význam nejen u polí FPGA, ale i napříč různými elektronickými produkty. Správná regulace teploty je nezbytná pro udržení výkonu, spolehlivosti a dlouhé životnosti těchto zařízení. Zde je uveden rozbor, proč je tepelné příslušenství důležité pro řadu produktů:

1. Mikroprocesory a jednotky CPU:

• Generování tepla: jednotky CPU, zejména ve vysoce výkonných počítačích a serverech, generují značné množství tepla kvůli náročným výpočetním úkolům.
• Tepelné příslušenství: chladiče, teplovodivé pasty a chladicí ventilátory mají zásadní význam pro odvod tepla, zabránění jevu thermal throttling a zajištění stabilního výkonu.

2. Grafické procesorové jednotky (GPU):

• Vysoká spotřeba energie: jednotky GPU, zejména během hraní her, AI a zpracování dat, odebírají mnoho energie a produkují značné množství tepla.
• Regulace tepla: řešení chlazení, jako jsou velké chladiče, ventilátory a někdy i kapalinová chlazení, jsou nezbytná pro udržení optimální teploty, zamezení přehřátí a udržení vysokého výkonu.

3. Napájecí zdroje (PSU):

• Odvod tepla: napájecí zdroje převádějí střídavé napětí na stejnosměrné, což znamená značné energetické ztráty energie v podobě tepla.
• Řešení chlazení: aktivní chlazení pomocí ventilátorů a pasivní chlazení pomocí chladičů mají zásadní význam pro zachování účinnosti a dlouhé životnosti napájecích zdrojů.

4. Paměťové moduly (RAM, DRAM):

• Provozní stabilita: vysokorychlostní paměťové moduly mohou generovat teplo, které, pokud není pod kontrolou, může vést k poškození dat nebo nestabilitě systému.
• Tepelné příslušenství: rozptylovače tepla a chladicí ventilátory se používají k odvodu tepla a zachování integrity a rychlosti dat.

5. Síťové vybavení (routery, přepínače):

• Nepřetržitý provoz: síťová zařízení jsou často v provozu 24/7, což vede k nepřetržitému generování tepla.
• Požadavky na chlazení: chladiče, ventilátory a někdy i chlazení prostředím (například vlivem klimatizace v serverových místnostech) jsou nezbytné pro zajištění trvalého výkonu a zamezení selhání.

6. Vestavěné systémy:

• Problematika kompaktních konstrukcí: vestavěné systémy často pracují v prostorově omezených prostředích s obtížným odvodem tepla.
• Tepelná řešení: k regulaci tepla v těchto kompaktních systémech se používají na míru vytvořené chladiče, tepelné podložky a specializované skříně s chlazením, které zajišťují spolehlivost v průmyslových a automobilových aplikacích.

7. Mobilní zařízení (chytré telefony, tablety):

• Tepelná omezení: ačkoli jsou mobilní zařízení kompaktní přístroje s omezeným prostorem pro chlazení, přesto v nich pracují vysoce výkonné procesory a baterie generující teplo.
• Inovativní chlazení: k regulaci tepla bez zvyšování velikosti zařízení se používají techniky jako tepelný throttling, grafitové rozptylovače tepla a vyspělé materiály.

8. Baterie a úložiště energie:

• Bezpečnost a dlouhá životnost: baterie, zejména v elektromobilech a velkokapacitních úložných systémech, generují během nabíjení a vybíjení teplo.
• Regulace tepla: chladicí systémy, včetně kapalinového chlazení, systémů regulace tepla a tepelně odolných materiálů, mají zásadní význam pro zamezení přehřívání, které může vést ke zkrácení životnosti baterie nebo dokonce k nebezpečným situacím.

9. Telekomunikační zařízení:

• Trvalá tepelná zátěž: základnové stanice, antény a další telekomunikační zařízení během provozu generují trvalé teplo.
• Potřeby chlazení: chladiče, ventilátory a kryty s řízenou klimatizací jsou nezbytné pro udržení spolehlivosti zařízení a dostupnosti služeb.

10. Vysoce výkonné výpočetní systémy (HPC):

• Extrémní tepelný výkon: systémy HPC, používané ve vědeckém výzkumu, AI a analýze velkých dat, zahrnují husté výpočetní clustery generující značné množství tepla.
• Pokročilé chlazení: kapalinové chlazení, ponorné chlazení a sofistikované systémy chlazení vzduchem mají zásadní význam pro regulaci tepla a zajištění nepřerušovaného vysokorychlostního provozu.

Tepelné příslušenství je nezbytné pro širokou škálu elektronických produktů, nejen pro pole FPGA. Hraje zásadní roli při odvodu tepla, zabraňuje přehřívání a zajišťuje, aby zařízení pracovala spolehlivě a efektivně. Bez správné regulace tepla mohou elektronické produkty trpět sníženým výkonem, nestabilitou a potenciálně katastrofickými selháními. Volba tepelného řešení závisí na konkrétních požadavcích produktu, včetně jeho spotřeby energie, velikosti a provozního prostředí.

Běžné techniky odvodu tepla ve vestavěných aplikacích

Se zmenšováním rozměrů systémů a nárůstem jejich výkonu jsou techniky odvodu tepla důležitější, než kdykoli dříve. Konstruktéři mohou využívat několik metod na odvod tepla ze součástek a desek plošných spojů, přičemž běžné mechanismy zahrnují:

Chladiče a chladicí ventilátory - Chladiče jsou tepelně vodivé kovové součásti s velkým povrchem, které se chovají jako pasivní výměníky tepla a odvádějí teplo do okolního vzduchu vedením. Přidání chladicích ventilátorů k chladičům napomáhá rychlejšímu a účinnějšímu odvodu tepla. Tato kombinace je jednou z nejběžnějších a nejúčinnějších metod chlazení vestavěných systémů, zejména v prostředích s omezeným prouděním vzduchu.

Obrázek 1: tento chladič s ventilátorem pomáhá odvádět teplo z jedné nebo více součástí, na kterých je namontován. (Zdroj obrázku: iWave)

Integrace teplovodivých trubiček - teplovodivé trubičky jsou chladicí zařízení používaná ve vysokoteplotních aplikacích. Typická teplovodivá trubička obsahuje kapalinu, která absorbuje teplo, odpařuje se a touto trubičkou protéká. Na kondenzačním konci se výpary přemění zpět na kapalinu a cyklus se opakuje. Tepelné trubičky jsou vysoce účinné a mohou přenášet teplo na velké vzdálenosti, čímž se stávají ideálními pro kompaktní elektronická zařízení s vysokou hustotou.

Rozptylovače tepla - rozptylovače tepla se vyznačují velkou rovnou plochou, která je obvykle přímo tlačena k jiné velké rovné ploše. Rozptylovače umožňují přenos tepla z menší součásti na větší kovový povrch. Rozptylovače tepla jsou ideální pro zařízení, která musejí odolávat extrémním otřesům a vibracím nebo jsou umístěna v uzavřených nádobách. Poskytují robustní řešení pro regulace tepla v robustních a utěsněných vestavěných systémech.

Termoelektrické chladiče (TEC) - termoelektrické chladiče jsou ideální pro systémy vyžadující udržování konstantní teploty součástí. Procesory s vysokým odvodem energie často používají kombinaci chladičů TEC, vzduchového chlazení a kapalinového chlazení, aby přesáhly limity konvenčního chlazení vzduchem. Chladiče TEC jsou schopné ochlazovat součásti na teplotu nižší než je teplota okolí, což umožňuje přesnou regulaci teploty.

Tepelné prokovy - pole s tepelnými průchody jsou zabudována nad oblastmi vyplněnými mědí a umístěna v blízkosti napájecích zdrojů. Při této metodě teplo proudí ze součástí do měděné oblasti a rozptyluje se prostřednictvím vzduchu z prokovů. Tepelné prokovy se často používají v modulech řízení spotřeby energie a součástech s tepelnými podložkami, kde zvyšují tepelnou vodivost desky plošných spojů.

Kapalinové chladicí systémy - kapaliny jsou schopné přenášet teplo čtyřikrát rychleji než vzduch, což umožňuje dosažení vyššího tepelného výkonu v menších řešeních. Kapalinový chladicí systém zahrnuje studenou desku nebo chlazený kryt jako rozhraní se zdrojem tepla, čerpadlo nebo kompresor zajišťující cirkulaci kapaliny a tepelný výměník pro bezpečné pohlcování a odvod tepla. Kapalinové chlazení je zvláště účinné ve vysoce výkonných aplikacích a hustě zaplněných elektronických sestavách.

Tepelná řešení od společnosti iWave

Odborný tým strojních inženýrů společnosti iWave navrhuje chladiče, ventilátorové chladiče a skříně přizpůsobené konkrétním tepelným charakteristikám jejich produktů. Používají software pro tepelnou simulaci, který konstruktérům pomáhá stanovit nejvhodnější způsoby chlazení a porozumět souvisejícím tepelným parametrům, což v konečném důsledku zvyšuje celkovou spolehlivost výrobku.

Analýza průběhu tepelného toku

Pomocí nástrojů, jako je Ansys Icepak, mohou konstruktéři společnosti iWave simulovat průběh tepelného toku uvnitř zařízení. Tato analýza pomáhá identifikovat nejteplejší body a optimalizovat umístění chladicích součástí. Díky pochopení způsobu přenosu tepla systémem mohou konstruktéři navrhovat efektivnější řešení regulace tepla.

Vlastní návrh chladiče

Společnost iWave navrhuje vlastní chladiče vyhovující jedinečným potřebám každého projektu. Proces návrhu zahrnuje výpočet teoretických hodnot odvodu tepla na základě povrchové plochy a vlastností materiálu. Konstruktéři tyto návrhy následně testují pomocí simulačního softwaru, aby zajistili dostatečné chlazení v různých provozních podmínkách.

Metody chlazení pro aktivní součásti

Ve fázi návrhu jsou také zohledňovány metody aktivního chlazení, například integrace chladičů TEC a chladicích ventilátorů. Společnost iWave u jednotlivých metod vyhodnocuje přínosy a omezení a pro každou aplikaci vybírá nejefektivnější a cenově nejvýhodnější řešení.

Tepelná řešení pro všechny tvarové faktory

Společnost iWave nabízí tepelná řešení pro všechny tvarové faktory, včetně modulů OSM, SMARC, Qseven a SODIMM. Tato řešení využívají hliníkovou slitinu AL6063 díky jejím vynikajícím materiálovým vlastnostem. Hliník je vynikající vodič, který je netoxický, recyklovatelný a vysoce odolný, čímž se stává ideálním pro přenos tepla ze součástí.

Prostřednictvím vlastních tepelných řešení mohou konstruktéři produktů snížit náklady na implementaci odstraněním technických zpoždění, provozních poruch a produktových iterací. Snížení množství tepla odváděného zařízením zlepšuje účinnost, spolehlivost a zajišťuje dlouhou životnost produktů.

Závěr

Rostoucí složitost a výkonová hustota vestavěných systémů vyžaduje pokročilé techniky regulace tepla. Využitím různých metod odvodu tepla, od chladičů a chladicích ventilátorů po kapalinové chladicí systémy a tepelné prokovy, mohou konstruktéři zajistit optimální výkon a spolehlivost svých zařízení. Společnosti, jako je iWave, poskytují specializovaná tepelná řešení přizpůsobená specifickým potřebám jejich produktů, využívají pokročilé simulační nástroje a vlastní návrhy, aby vyhověly výzvám moderní elektroniky.

Pokud potřebujete více informací o zkušenostech společnosti iWave s tepelnými řešeními kontaktujte ji přímo.