Een inleiding tot thermisch beheer

Elektronicasystemen worden steeds dichter en heter, wat betekent dat veel systemen een methode nodig hebben om die warmte te beheersen. Hoewel de ontwikkeling van een oplossing voor thermisch beheer niet voor elk ontwerp noodzakelijk is, is een fundamenteel begrip van de wijze waarop warmte wordt opgewekt, verplaatst en afgevoerd van essentieel belang om te voorkomen dat belangrijke componenten door verhoogde temperaturen worden beschadigd. Uiteindelijk moet thermisch beheer worden overwogen in de vroege ontwerpfasen en niet als een lapmiddel in het uiteindelijke ontwerp.

Basisprincipes thermisch beheer

Aangezien er meer van elektronische systemen wordt gevraagd, zijn er volgens de theorie drie manieren waarop warmte wordt overgedragen en dus componenten kunnen worden gekoeld: geleiding, convectie en straling.

Misschien wel de meest doeltreffende methode van energieoverdracht, geleiding brengt thermische energie over door fysiek contact tussen twee voorwerpen waarbij het koelere voorwerp op natuurlijke wijze energie onttrekt aan het hetere voorwerp. In het algemeen vereist deze methode het kleinste oppervlak om de grootste energie te verplaatsen.

Afbeelding 1: Geleiding in de praktijk. (Bron afbeelding: Same Sky)

Ten tweede, convectie herverdeelt thermische energie via de beweging van lucht. Wanneer koelere lucht langs een heter voorwerp stroomt, onttrekt het de warmte aan het voorwerp en voert het de warmte af naarmate het verder door het apparaat stroomt. Deze methode kan worden verwezenlijkt door natuurlijke luchtconvectie of geforceerde luchtconvectie via een ventilator.

Afbeelding 2: Convectie in de praktijk. (Bron afbeelding: Same Sky)

Ten derde is straling het uitzenden van energie in de vorm van een elektromagnetische golf. Deze methode is weinig doeltreffend en wordt in de meeste thermische berekeningen genegeerd, omdat zij over het algemeen alleen van toepassing is op vacuümtoepassingen waar geleiding en convectie geen opties zijn. In principe is straling de overdracht van warmte via de elektromagnetische golven die ontstaan wanneer hete deeltjes trillen.

Afbeelding 3: Bestraling in de praktijk. (Bron afbeelding: Same Sky)

Hoewel niet één van de drie hierboven beschreven thermische basisbegrippen, is het ook belangrijk de thermische weerstand, of impedantie, te vermelden, die de doeltreffendheid van de thermische transmissie tussen voorwerpen kwantificeert en op grote schaal wordt gebruikt bij het ontwerpen van thermische beheersoplossingen. Eenvoudig gezegd, hoe lager de thermische impedantie, hoe beter de overdracht van energie. Aan de hand van de thermische impedantie en een gegeven omgevingstemperatuur kan precies worden berekend hoeveel vermogen kan worden gedissipeerd voordat bepaalde temperaturen worden bereikt.

Onderdelen voor thermisch beheer

Er zijn drie populaire methoden om elektronische systemen te koelen: koellichamen, ventilatoren en Peltier-modules. Ze kunnen elk afzonderlijk worden gebruikt, maar nog doeltreffender worden wanneer ze worden geïntegreerd.

Koellichamen zijn verkrijgbaar in vele vormen en maten. Zij worden gebruikt om de doeltreffendheid van convectiekoeling te verbeteren door de thermische impedantie tussen de apparaten waaraan zij zijn bevestigd en het koelmedium, gewoonlijk lucht, te verminderen. Zij doen dit door het convectieoppervlak te vergroten en zijn gemaakt van een materiaal dat een lagere thermische impedantie heeft dan typische halfgeleiders. Koellichamen zijn goedkoop en gaan bijna nooit stuk of slijten, maar ze hebben wel de neiging het volume te vergroten van de elektronische systemen die ze koelen. Als passieve componenten worden koellichamen vaak gecombineerd met ventilatoren om de afgevoerde thermische energie doeltreffender uit het systeem te verdrijven. Ventilatoren of blazers zorgen voor een gestage stroom van verse koele lucht over een koellichaam om het temperatuurverschil tussen het koellichaam en de koellucht in stand te houden, zodat de thermische energieoverdracht efficiënt blijft.

Ventilatoren en blazers zijn verkrijgbaar in een grote verscheidenheid van vormen en maten met veel verschillende vermogensopties. De belangrijkste specificatie is de luchtstroom die ze kunnen genereren, meestal gemeten in kubieke meter per minuut (CFM). Sommige ventilatoren en blazers zijn voorzien van regelaars zodat hun snelheid kan worden aangepast aan de huidige koelingsbehoeften, als onderdeel van een feedback-gestuurd regelsysteem. Ventilatoren helpen de koeling te verbeteren, maar ontwerpers moeten zich ervan bewust zijn dat zij stroom nodig hebben en soms regelcircuits. In tegenstelling tot koellichamen kunnen ventilatoren ook lawaaierig zijn en bewegende onderdelen hebben, waardoor ze gevoeliger zijn voor defecten.

Peltier-elementen zijn halfgeleidercomponenten die gebruik maken van het Peltier-effect om warmte over te brengen van de ene kant van een module naar de andere. Peltier-apparaten moeten van energie worden voorzien om thermische energie te kunnen verplaatsen, wat in feite warmte aan het systeem toevoegt, zodat zij het best kunnen worden gebruikt met koellichamen en ventilatoren. Met Peltier-modules kan echter een nauwkeurige temperatuurregeling worden bereikt en kunnen apparaten tot onder de omgevingstemperatuur worden gekoeld. Evenals koellichamen hebben zij geen bewegende delen, zodat zij op zichzelf flexibel en robuust zijn, maar ook hier kan het zijn dat zij moeten worden gebruikt met ventilatoren, koellichamen en regelcircuits, waardoor de kosten en de complexiteit toenemen. Om deze redenen worden Peltier-modules vaak gereserveerd voor de meest veeleisende toepassingen, zoals het onttrekken van thermische energie uit het hart van dicht opeengepakte elektronicasystemen.

Berekening van de warmtebehoefte

Wat de uiteindelijke ontwerpeisen ook mogen zijn, er zijn gevestigde benaderingen voor het ontwerpen van een doeltreffende koeloplossing voor elektronische systemen. Om te illustreren hoe een ingenieur een geïntegreerde oplossing voor thermisch beheer zou kunnen benaderen, volgt hier een hypothetisch probleem en oplossing:

In dit voorbeeld wordt gebruik gemaakt van een toestel in een behuizing van 10 mm x 15 mm dat 3,3 W warmte produceert in stationaire toestand. De omgevingstemperatuur van de bedrijfsomgeving van het toestel is 50 °C, met een ideale bedrijfstemperatuur van 40 °C. Geen enkel onderdeel van het systeem mag warmer worden dan 100 °C.

Afbeelding 4: Prestatiegrafiek van de Peltier-module uit het CP2088-219-gegevensblad (Bron afbeelding: Same Sky)

Deze specificaties betekenen dat een Peltier-module nodig is om de temperatuur van het toestel onder de omgevingstemperatuur te brengen. Same Sky biedt de CP2088-219, een micro-Peltier-module die 3,3 W thermische energie kan verwijderen en de temperatuur van een apparaat kan verlagen tot 10 °C onder de omgevingstemperatuur. De Peltier-module is aan het apparaat bevestigd met SF600G, een thermisch interfacemateriaal (TIM) dat de thermische impedantie tussen het apparaat en de koeler vermindert. Uit het gegevensblad van de CP2088-219 (Afbeelding 4) blijkt dat de Peltier-module 1,2 A bij 2,5 V nodig heeft, wat betekent dat de werking ervan 3 W thermische energie aan het systeem zal toevoegen.

Om de totale 6,3 W thermische energie uit de Peltier-module te verwijderen, wordt een koellichaam (de HSS-B20-NP-12) aan de andere kant ervan bevestigd, wederom met de SF600G TIM als interface. Het TIM heeft een oppervlakte van 8,8 mm x 8,8 mm, en een thermische weerstand van iets minder dan 1,08 °C/W.

Het koellichaam heeft een warmteweerstand van 3,47 °C/W, uitgaande van een luchtstroom erover van 200 lineaire voet per minuut (LFM).

Dit brengt de totale thermische weerstand van het gecombineerde TIM en koellichaam op 4,55 °C/W.

Om een constante luchtstroom van 200 LFM te verkrijgen, kan een ventilator van de CFM-25B-serie worden gebruikt.

De opstelling verbindt het te koelen apparaat via een TIM met een Peltier-module. Het bovenvlak van de Peltier-module is via een andere TIM verbonden met een koellichaam, en het geheel bevindt zich binnen 200 LFM van 50 °C lucht.

Afbeelding 5: Thermische beheersoplossing met een Peltier-apparaat, een koellichaam, twee TIM-lagen en een ventilator (Bron afbeelding: Same Sky)

Aan de hand van deze gegevens kan de stationaire temperatuur van het toestel worden berekend. De Peltier-module zal de koelzijde op 40 °C houden - ten koste van de toevoeging van 3,3 W warmte aan de assemblage. Het koellichaam moet 6,3 W warmte afvoeren naar een luchtstroom van 50 °C, met een totale thermische weerstand tussen de Peltier-module en de omgevingslucht van 4,55 °C/W. De vermenigvuldiging van 6,3 W maal 4,55 °C/W bepaalt de temperatuurstijging ten opzichte van de omgevingstemperatuur, die in dit geval 28,67 °C of 78,67 °C in totaal bedraagt. Dit is ruim onder de 100 °C eis, wat resulteert in een thermisch management oplossing die voldoet aan de behoeften van het systeem.

Conclusie

Thermisch beheer is nu al noodzakelijk in consumententoepassingen zoals koeling, HVAC, 3D-printen en ontvochtigers. Het wordt ook gebruikt in wetenschappelijke en industriële toepassingen zoals thermische cyclers voor DNA-synthese en zeer nauwkeurige lasers. Koellichamen, ventilatoren en Peltier-modules kunnen ervoor zorgen dat complexe elektronische systemen binnen hun thermische ontwerpgrenzen blijven. Same Sky biedt een reeks componenten voor thermisch beheer om dit kritieke selectieproces te vereenvoudigen.