Oplossingen voor thermisch beheer van ingesloten kaarten

Toenemende randverwerking, prestatieverbeteringen en miniaturisatie van ingebedde platformen hebben geleid tot een toename in stroomverbruik en warmteontwikkeling, waardoor thermische hotspots zijn ontstaan. Thermische stress kan de prestaties van ingebedde systemen aanzienlijk verslechteren en zelfs volledige systeemstoringen veroorzaken. Langdurige blootstelling aan overmatige hitte verkort ook de levensduur van elektronische componenten.

Inzicht in technieken voor thermisch beheer is cruciaal om een apparaat in optimale bedrijfstoestand te houden. De vooruitgang in de elektronica-industrie heeft geleid tot de behoefte aan innovatieve technologieën voor thermisch beheer om de betrouwbaarheid en prestaties van systemen te verbeteren. Volgens Market Research Future zal de wereldwijde markt voor thermisch beheer naar verwachting 20,3 miljard dollar bereiken in 2030, met een groei van 8 procent CAGR tussen 2022 en 2030.

Thermische accessoires zijn cruciaal voor diverse elektronische producten, niet alleen FPGA's, vanwege de warmte die vrijkomt tijdens het gebruik. Een goed thermisch beheer is essentieel voor het behoud van de prestaties, betrouwbaarheid en levensduur van deze apparaten. Hier volgt een conclusie over waarom thermische accessoires belangrijk zijn voor een reeks producten:

1. Microprocessors en CPU's:

• Warmteontwikkeling: CPU's, vooral in computers en servers met hoge prestaties, genereren veel warmte door intensieve rekentaken.
• Thermische accessoires: Koellichamen, thermische pasta en koelventilatoren zijn essentieel voor het afvoeren van warmte, het voorkomen van thermische throttling en het garanderen van stabiele prestaties.

2. Grafische verwerkingseenheden (GPU's):

• Hoog energieverbruik: GPU's, vooral in gaming, AI en gegevensverwerking, verbruiken veel stroom en produceren een aanzienlijke hoeveelheid warmte.
• Thermisch beheer: Koeloplossingen zoals grote koellichamen, ventilatoren en soms vloeistofkoeling zijn nodig om optimale temperaturen te handhaven, oververhitting te voorkomen en hoge prestaties te behouden.

3. Voedingseenheden (PSU's):

• Warmteafvoer: Voedingen zetten wisselstroom om in gelijkstroom, waarbij veel energie verloren gaat in de vorm van warmte.
• Koeloplossingen: Actieve koeling met ventilatoren en passieve koeling met koellichamen zijn essentieel om de efficiëntie en levensduur van voedingen te behouden.

4. Geheugenmodules (RAM, DRAM):

• Operationele stabiliteit: geheugenmodules met hoge snelheid kunnen warmte genereren, wat als er niets aan gedaan wordt kan leiden tot beschadiging van gegevens of instabiliteit van het systeem.
• Thermische accessoires: Warmtespreiders en koelventilatoren worden gebruikt om warmte af te voeren en de integriteit en snelheid van gegevens te behouden.

5. Netwerkapparatuur (routers, switches):

• Continue werking: Netwerkapparatuur draait vaak 24/7, wat leidt tot continue warmteontwikkeling.
• Vereisten voor koeling: Koellichamen, ventilatoren en soms omgevingskoeling (zoals airconditioning in serverruimtes) zijn nodig om consistente prestaties te garanderen en storingen te voorkomen.

6. Ingebedde systemen:

• Compacte ontwerpuitdagingen: Ingebedde systemen werken vaak in beperkte omgevingen waar warmteafvoer moeilijk is.
• Thermische oplossingen: Aangepaste koellichamen, thermische pads en gespecialiseerde behuizingen met koeling worden gebruikt om de warmte in deze compacte systemen te beheren, waardoor de betrouwbaarheid in industriële en automobieltoepassingen wordt gegarandeerd.

7. Mobiele apparaten (smartphones, tablets):

• Thermische beperkingen: Mobiele apparaten zijn compact en hebben weinig ruimte voor koeling, maar toch draaien er krachtige processors en batterijen op die warmte produceren.
• Innovatieve koeling: Technieken zoals thermische throttling, grafiet-warmtespreiders en geavanceerde materialen worden gebruikt om warmte te beheren zonder het apparaat groter te maken.

8. Batterijen en energieopslag:

• Veiligheid en levensduur: Batterijen, vooral in elektrische voertuigen en opslagsystemen met hoge capaciteit, genereren warmte tijdens het opladen en ontladen.
• Thermisch beheer: Koelsystemen, waaronder vloeistofkoeling, thermische beheersystemen en hittebestendige materialen, zijn van vitaal belang om oververhitting te voorkomen, wat kan leiden tot een kortere levensduur van de batterij of zelfs gevaarlijke situaties.

9. Telecommunicatie-apparatuur:

• Continue warmtebelasting: Basisstations, antennes en andere telecomapparatuur genereren constante warmte tijdens het gebruik.
• Noodzakelijke koeling: Koellichamen, ventilators en klimaatbeveiligde behuizingen zijn essentieel voor het behoud van de betrouwbaarheid van apparatuur en de beschikbaarheid van diensten.

10. HPC-systemen (High-Performance Computing):

• Extreme warmteafgifte: HPC-systemen, die worden gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek, AI en analyse van grote hoeveelheden gegevens, bevatten dichte computerclusters die veel warmte produceren.
• Geavanceerde koeling: Vloeistofkoeling, dompelkoeling en geavanceerde luchtkoelsystemen zijn essentieel om de warmte te beheren en een ononderbroken werking met hoge snelheid te garanderen.

Thermische accessoires zijn onmisbaar voor een groot aantal elektronische producten, niet alleen FPGA's. Ze spelen een cruciale rol bij het afvoeren van warmte, het voorkomen van oververhitting en zorgen ervoor dat apparaten betrouwbaar en efficiënt presteren. Zonder goed thermisch beheer kunnen elektronische producten lijden onder verminderde prestaties, instabiliteit en mogelijk catastrofale uitval. De keuze van thermische oplossingen hangt af van de specifieke vereisten van het product, zoals het stroomverbruik, de grootte en de bedrijfsomgeving.

Gebruikelijke technieken voor warmteafvoer in embedded oplossingen

Technieken voor warmteafvoer zijn belangrijker dan ooit, nu systemen steeds kleiner en krachtiger worden. Ontwerpers kunnen verschillende methoden gebruiken om warmte van componenten en printplaten te verwijderen:

Koellichamen en koelventilators - Koellichamen zijn grote, thermisch geleidende metalen onderdelen die fungeren als passieve warmtewisselaars en warmte afvoeren naar de omringende lucht via geleiding. Door koelventilators aan koelprofielen toe te voegen, wordt warmte sneller en effectiever afgevoerd. Deze combinatie is een van de meest voorkomende en effectieve methoden voor het koelen van embedded systemen, vooral in omgevingen met een beperkte luchtstroom.

Afbeelding 1: Dit koellichaam met koelventilator helpt de warmte af te voeren van de component(en) waarop het is gemonteerd. (Bron afbeelding: iWave)

Integratie van heatpipes - Heatpipes zijn koelapparaten die worden gebruikt in toepassingen met hoge temperaturen. Een typische heatpipe bestaat uit een vloeistof die warmte absorbeert, verdampt en zich door de pijp verplaatst. Bij de condensor wordt de damp weer vloeibaar en herhaalt de cyclus zich. Heatpipes zijn zeer efficiënt en kunnen warmte over lange afstanden overbrengen, waardoor ze ideaal zijn voor compacte elektronische apparaten met een hoge dichtheid.

Warmtespreiders - Warmtespreiders hebben een groot plat oppervlak dat meestal direct tegen een ander groot plat oppervlak wordt gedrukt. Ze zorgen voor warmteoverdracht van een kleiner onderdeel naar een groter metalen oppervlak. Warmtespreiders zijn ideaal voor apparaten die bestand moeten zijn tegen extreme schokken en trillingen of die zijn ondergebracht in afgesloten containers. Ze bieden een robuuste oplossing voor warmtebeheer in robuuste en afgedichte embedded systemen.

Thermo-elektrische koelers (TEC's) - Thermo-elektrische koelers zijn ideaal voor systemen waarbij de temperatuur van componenten constant moet worden gehouden. Processors met hoge vermogensdissipatie gebruiken vaak een combinatie van TEC's, luchtkoeling en vloeistofkoeling om verder te gaan dan de conventionele limieten voor luchtkoeling. TEC's kunnen componenten koelen tot onder de omgevingstemperatuur, waardoor een nauwkeurige temperatuurregeling mogelijk is.

Thermische doorvoeringen - Thermische doorvoeringen worden over met koper gevulde oppervlakken aangebracht en dicht bij stroombronnen geplaatst. Bij deze methode stroomt de warmte van de componenten naar het koperen gebied en verdwijnt via de lucht uit de vias. Thermische doorvoeren worden vaak gebruikt in voedingsmodules en componenten met thermische pads om de thermische geleiding van de PCB te verbeteren.

Vloeistofkoelsystemen - Vloeistoffen kunnen warmte vier keer sneller overdragen dan lucht, waardoor hogere thermische prestaties mogelijk zijn in kleinere oplossingen. Een vloeistofkoelsysteem bevat een koude plaat of gekoelde behuizing als interface met de warmtebron, een pomp of compressor om de vloeistof te laten circuleren en een warmtewisselaar om de warmte veilig te absorberen en af te voeren. Vloeistofkoeling is bijzonder effectief voor toepassingen met een hoog vermogen en dicht op elkaar gepakte elektronische assemblages.

Thermische oplossingen van iWave

Het deskundige team van mechanische ingenieurs van iWave ontwerpt koelprofielen, ventilatorprofielen en behuizingen op maat van de specifieke thermische eigenschappen van hun producten. Ze gebruiken thermische simulatiesoftware om technici te helpen de meest geschikte koelmethoden te bepalen en inzicht te krijgen in de bijbehorende thermische parameters, waardoor uiteindelijk de algehele betrouwbaarheid van het product wordt verbeterd.

Analyse warmtestroompatroon

Met behulp van tools als Ansys Icepak kunnen iWave-technici warmtestromingspatronen binnen een apparaat simuleren. Deze analyse helpt om thermische hotspots te identificeren en de plaatsing van koelcomponenten te optimaliseren. Door te begrijpen hoe warmte door een systeem beweegt, kunnen ingenieurs effectievere oplossingen voor thermisch beheer ontwerpen.

Aangepast ontwerp koelprofiel

iWave ontwerpt koelprofielen op maat voor de unieke behoeften van elk project. Tijdens het ontwerpproces worden theoretische waarden voor warmteafvoer berekend op basis van oppervlakte en materiaaleigenschappen. Ingenieurs testen deze ontwerpen vervolgens met simulatiesoftware om te garanderen dat ze voldoende koeling bieden onder verschillende bedrijfsomstandigheden.

Koelmethoden voor actieve apparaten

Actieve koelmethoden, zoals de integratie van TEC's en koelventilators, worden ook overwogen tijdens de ontwerpfase. iWave evalueert de voordelen en beperkingen van elke methode en selecteert de meest efficiënte en kosteneffectieve oplossing voor elke toepassing.

Thermische oplossingen voor alle vormfactoren

iWave biedt thermische oplossingen voor alle vormfactoren, waaronder OSM, SMARC, Qseven en SODIMM. Deze oplossingen maken gebruik van aluminiumlegering AL6063 vanwege de uitstekende materiaaleigenschappen. Aluminium is een uitstekende geleider, niet giftig, recyclebaar en zeer duurzaam, waardoor het ideaal is voor het overbrengen van warmte van onderdelen.

Met interne thermische oplossingen kunnen productontwerpers de implementatiekosten verlagen door technische vertragingen, mislukkingen in het veld en productiteraties te voorkomen. Vermindering van de hoeveelheid warmte die door het apparaat wordt afgevoerd, verbetert de efficiëntie en betrouwbaarheid en zorgt voor een lange levensduur van het product.

Conclusie

De toenemende complexiteit en vermogensdichtheid van ingebedde systemen maken geavanceerde technieken voor thermisch beheer noodzakelijk. Door gebruik te maken van verschillende methoden voor warmteafvoer, van koellichamen en ventilatoren tot vloeistofkoelsystemen en thermische vlakken, kunnen ontwerpers zorgen voor optimale prestaties en betrouwbaarheid van hun apparaten. Bedrijven als iWave bieden gespecialiseerde thermische oplossingen die zijn afgestemd op de specifieke behoeften van hun producten en maken gebruik van geavanceerde simulatietools en aangepaste ontwerpen om te voldoen aan de uitdagingen van moderne elektronica.

Neem voor meer informatie over de expertise van iWave op het gebied van thermische oplossingen rechtstreeks contact met hen op.