En introduksjon til varmestyring

Elektronikksystemer blir stadig mer kompakte og varmere, noe som betyr at mange systemer vil kreve en eller annen løsning for å håndtere varmen. Selv om det ikke er nødvendig å utvikle en løsning for varmestyring for hver enkelt konstruksjon, er det viktig med en grunnleggende forståelse av hvordan varme genereres, flyttes og fjernes for å unngå at viktige komponenter blir skadet av høye temperaturer. Varmestyring må tas i betraktning tidlig i prosjekteringsfasen snarere enn som en ettertanke i den endelige konstruksjonen.

Varmestyringsløsninger

Etter hvert som det kreves mer og mer av elektroniske systemer, er det i henhold til læren tre måter å overføre varme på, og dermed kjøle ned komponenter: konduksjon, konveksjon og stråling.

Konduksjon, som kanskje er den mest effektive energioverføringsmåten, overfører varmeenergi gjennom fysisk kontakt mellom to objekter, der objektet med lavest temperatur trekker energi bort fra det varmere objektet på en naturlig måte. Generelt sett krever denne måten at det minste overflatearealet beveger størst energi.

Figur 1: Konduksjon i praksis. (Bildekilde: Same Sky)

Konveksjon redistribuerer termisk energi via luftbevegelse. Når kjøligere luft passerer et varmere objekt, trekker den varmen bort fra objektet og fører den bort mens den fortsetter å bevege seg gjennom enheten. Denne metoden kan utføres ved hjelp av naturlig luftkonveksjon eller tvungen luftkonveksjon via en vifte.

Figur 2: Konveksjon i praksis. (Bildekilde: Same Sky)

Stråling er utslipp av energi som en elektromagnetisk bølge. Denne måten er til sammenligning ganske ineffektiv, og den ignoreres i de fleste termiske beregninger fordi den generelt sett kun gjelder for vakuumkonstruksjoner der konduksjon og konveksjon ikke er gjeldende. I prinsippet er stråling overførselen av varme gjennom de elektromagnetiske bølgene som skapes når varme partikler vibrerer.

Figur 3: Stråling i praksis. (Bildekilde: Same Sky)

Selv om termisk motstand, eller impedans, ikke er ett av de tre grunnleggende termiske konseptene som er beskrevet ovenfor, er det også viktig å nevne denne. Den kvantifiserer effektiviteten av termisk overføring mellom objekter og brukes mye i konstruksjon av varmestyringsløsninger. Enkelt sagt, jo lavere termisk impedans, desto bedre er overføringen av energi. Ved å bruke termisk impedans og en gitt omgivelsestemperatur, er det mulig å beregne nøyaktig hvor mye energi som kan avledes før visse temperaturer nås.

Varmestyringskomponenter

Det er tre populære tilnærminger til kjøling av elektroniske systemer: kjøleribber, vifter og Peltier-moduler. Hver av disse kan brukes alene, men enda bedre effektivitet kan oppnås når de integreres sammen.

Kjøleribber er tilgjengelige i mange former og størrelser. De brukes til å forbedre effektiviteten til konveksjonskjøling ved å redusere den termiske impedansen mellom enhetene de er festet til og kjølemediet, som vanligvis er luft. De gjør dette ved å øke konveksjonsoverflateområdet, og de er laget av et materiale som har en lavere termisk impedans sammenlignet med typiske halvledere. Kjøleribber er prisgunstige, de svikter sjelden og de slites nesten aldri ut, men de har en tendens til å øke størrelsen til de elektroniske systemene de kjøler. Som passive komponenter, kombineres kjøleribber ofte med med vifter for å flytte den avledede varmeenergien bort fra systemet mer effektivt. Vifter eller blåsere skaper en jevn strøm av frisk, kjølig luft over en kjøleribbe for å opprettholde temperaturforskjellen mellom denne og den kalde luften, noe som sikrer kontinuerlig og effektiv overføring av varmeenergi.

Vifter og blåsere er tilgjengelige i et bredt utvalg av former og størrelser med mange forskjellige strømalternativer. Den viktigste spesifikasjonen er luftstrømmen de kan generere, som vanligvis måles i kubikkfot per minutt (CFM – cubic feet per minute). Noen vifter og blåsere har styringer som kan justere hastigheten slik at gjeldende kjølebehov kan dekkes. Dette er en del av et tilbakekoblingsbasert styringssystem. Vifter bidrar til å forbedre kjøling, men konstruktører må være oppmerksomme på at de krever strøm og noen ganger styringskretser. I motsetning til kjøleribber, kan vifter også produsere mye støy og ha bevegelige deler som gjør dem mer utsatt for feil.

Peltier-enheter er halvlederkomponenter som bruker Peltier-effekten til å overføre varme fra én side av en modul til en annen. Peltier-enheter må forsynes med energi for å kunne flytte varmeenergi, noe som faktisk tilfører varme til systemet, så de fungerer best med kjøreribber og vifter. Peltier-moduler kan imidlertid oppnå nøyaktig temperaturregulering og kan kjøle ned enheter til under omgivelsestemperaturen. I likhet med kjøleribber har de ingen bevegelige deler, så de er fleksible og robuste i seg selv, men de må kanskje brukes med vifter, kjøleribber og styringskretser, noe som øker kostnadene og kompleksiteten. På grunn av dette er Peltier-moduler ofte reservert for de mest krevende bruksområdene, for eksempel å utvinne termisk energi fra kjernen i svært kompakte elektronikksystemer.

Beregning av termiske krav

Uansett hva de endelige konstruksjonskravene måtte være, er det veletablerte tilnærminger når det kommer til å konstruere en effektiv kjøleløsning for elektroniske systemer. For å illustrere hvordan en tekniker kan gå frem når det kommer til å lage en integrert løsning for varmestyring, vises en hypotetisk problemstilling og løsning her:

I dette eksemplet brukes en enhet i en kapsling på 10 mm x 15 mm som genererer 3,3 W med varme i sin stabile tilstand. Omgivelsestemperaturen til enhetens driftsmiljø er 50 °C, og har en ideell driftstemperatur på 40 °C. Ingen deler av systemet må overstige 100 °C.

Figur 4: Ytelsesgraf for Peltier-modulen fra CP2088-219-databladet (bildekilde: Same Sky)

Disse spesifikasjonene gir uttrykk for at en Peltier-modul er nødvendig for å bringe enhetens temperatur til under omgivelsestemperaturen. Same Sky tilbyr CP2088-219, en mikro-Peltier-modul som kan fjerne 3,3 W med varmeenergi og redusere temperaturen til en enhet til 10 °C under omgivelsestemperaturen. Peltier-modulen er festet til enheten ved å bruke SF600G, et termisk kontaktflatemateriale (TIM – Thermal Interface Material) som reduserer den termiske impedansen mellom enheten og kjøleren. CP2088-219-databladet (figur 4) viser at Peltier-modulen krever 1,2 A ved 2,5 V, noe som betyr at bruken av den vil tilføre 3 W med varmeenergi til systemet.

For å fjerne den totale termiske energien på 6,3 W fra Peltier-modulen, festes en kjøleribbe (HSS-B20-NP-12) til den andre siden, igjen ved å bruke SF600G TIM som kontaktflate. TIM har et areal på 8,8 mm x 8,8 mm, og en termisk motstand på litt under 1,08 °C/W.

Kjøleribben har en termisk motstand på 3,47 °C/W, forutsatt at en luftstrøm på 200 lineære fot per minutt (LFM – linear feet per minute) beveger seg over den.

Dette bringer den totale termiske motstanden for den kombinerte TIM-en og kjøleelementet til 4,55 °C/W.

For å gi en konsekvent luftstrøm på 200 LFM, kan en vifte fra CFM-25B--serien brukes.

Oppsettet kobler enheten som skal kjøles ned til en Peltier-modul via en TIM. Den øvre overflaten på Peltier-modulen er koblet til en kjøleribbe via en annen TIM, og hele sammensetningen eksisterer innenfor 200 LFM i luft på 50 °C.

Figur 5: Løsning for varmestyring som innebærer å bruke en Peltier-enhet, kjøleribbe, to TIM-lag og vifte (bildekilde: Same Sky)

Ved å bruke disse dataene kan enhetens temperatur under stabil tilstand beregnes. Peltier-modulen vil opprettholde den kalde siden på 40 °C – på bekostning av at den bidrar med 3,3 W varmeenergi til sammensetningen. Kjøleribben er nødt til å avlede 6,3 W med varme til luftstrømomgivelser på 50 °C, med en total termisk motstand mellom Peltier-modulen og omgivelsesluften på 4,55 °C/W. Ved å multiplisere 6,3 W med 4,55 °C/W fastsettes temperaturøkningen i forhold til omgivelsene, noe som i dette tilfellet er 28,67 °C eller 78,67 °C totalt. Dette er langt under kravet på 100 °C, noe som resulterer i en varmestyringsløsning som møter behovene til systemet.

Konklusjon

Varmestyring er allerede nødvendig i forbrukerprodukter, for eksempel kjøling, ventilasjon (HVAC), 3D-printing og avfuktningsapparater. Det brukes også i vitenskapelige og industrielle konstruksjoner, for eksempel termodynamiske sykluser for DNA-syntese og lasere med høy nøyaktighet. Kjøleribber, vifter og Peltier-moduler kan bidra til å sikre at komplekse elektroniske systemer holder seg innenfor grensene til de termiske konstruksjonene. Same Sky tilbyr en rekke varmestyringskomponenter som forenkler denne viktige valgprosessen.