電源の主な熱管理ソリューション
熱管理は、物理学の基本原則に従います。 熱伝導には、輻射、伝導、対流の3つの方法があります。
ほとんどの電子システムでは、必要な冷却を実現するには、最初に熱を伝導によって熱源から放出し、次に対流によって熱を他の場所に移動させることです。
熱設計を行う場合、必要な伝導と対流を効果的に実現するには、さまざまな熱管理ハードウェアを組み合わせる必要があります。
最も一般的に使用される冷却コンポーネントは、ヒートシンク、ヒートパイプ、ファンの3つです。
ヒートシンクとヒートパイプは電源のないパッシブ冷却システムであり、ファンはアクティブな強制空冷システムです。
ラジエーターは、熱源から伝導によって熱を取得し、その熱を気流（場合によっては水やその他の液体）に伝達して対流を実現できるアルミニウムまたは銅の構造です。
ヒートシンクには、単一のトランジスタを接続する小さな刻印された金属フィンから、対流空気の流れを遮断して熱を伝達できる多くのフィン（指）を備えた大きな押し出し材まで、数千のサイズと形状があります。
ラジエーターには、可動部品がない、運用コスト、故障モードなどの利点があります。
ラジエーターが熱源に接続されると、暖かい空気が上昇するにつれて、対流が自然に発生し、空気の流れを開始して形成し続けます。
ラジエーターは使いやすいですが、いくつかの欠点があります。
大きな熱を伝達するラジエーターは、大きく、費用がかかり、重いため、正しく配置する必要があります。これは、回路基板の物理的なレイアウトに影響を与えたり、制限したりします。
フィンは空気の流れの中のほこりによって塞がれ、効率が低下する可能性があります。
熱源からラジエーターに熱がスムーズに流れるように、熱源に適切に接続する必要があります。
ヒートパイプ
これは、熱管理スイートのもう1つの重要なコンポーネントであり、アクティブな強制メカニズムを使用せずに、ポイントAからポイントBに熱を伝達できます。
焼結コアと作動油の密封された金属管が含まれています。 それ自体はラジエーターとして機能しません。 その機能は、熱源から熱を吸収し、それをより寒い地域に移すことです。
ヒートパイプは、熱源の近くにラジエーターを配置するのに十分なスペースがない場合、または空気の流れが不十分な場合に使用できます。 ヒートパイプは作業効率が高く、熱源から管理しやすい場所に熱を伝達することができます。
その動作原理はシンプルで独創的です。
熱源は、密閉されたチューブ内で作動油を蒸気に変換し、蒸気は熱をヒートパイプのより冷たい端に伝達します。 この端で、蒸気は凝縮して液体になり、熱を放出しますが、流体はより高温の端に戻ります。
この気液変換プロセスは継続的に実行され、コールドエンドとホットエンドの温度差によってのみ駆動されます。 コールドエンドにラジエーターまたは他の冷却装置を接続すると、空気の流れが遮断される局所的なホットスポットの熱放散の問題を解決できます。
ファン
これは、パッシブラジエーターとヒートパイプを除いて、強制空冷式アクティブヒートシンクへの第一歩ですが、ファンにも欠点があります。
高コスト、スペースが必要、システムノイズの増加。
故障しやすく、エネルギーを消費し、システム全体の効率に影響を与えます
しかし、多くの場合、特に気流経路が湾曲している、垂直である、または滑らかでない場合、通常、十分な気流を得る唯一の方法です。
ファンの容量を定義する重要なパラメータは、1分あたりの空気の単位長さまたは単位体積流量です。
ただし、物理的なサイズには問題があります。回転速度の遅い大きなファンは、回転速度の速い小さなファンと同じ気流を生成する可能性があるため、サイズと速度の間にはトレードオフがあります。
モデリングと包括的なシミュレーション
個別のパッシブシステムはサイズが大きくなりますが、信頼性と効率が高くなり、パッシブ冷却を単独で使用できない状況でファンが役割を果たすことができます。
冷却用にどのシステムを選択するかは、多くの場合難しい決定です。
現時点では、効率的な熱管理戦略に不可欠なモデリングとシミュレーションを通じて、必要な冷却空気の量と冷却を実現する方法を決定する必要があります。
ミニチュアモデルの場合、熱源とその熱流路は熱抵抗によって特徴付けられ、熱抵抗は使用される材料、品質、およびサイズによって決定されます。
モデリングは、熱源から熱がどのように流れるかを示しており、コンポーネント自体の熱放散によって熱事故を引き起こすコンポーネントを評価するための最初のステップでもあります。
たとえば、高熱放散IC、MOSFET、IGBTなどのデバイスサプライヤは通常、熱源からデバイスの表面までの熱経路の詳細を提供できる熱モデルを提供します。
各コンポーネントの熱負荷がわかったら、次のステップはマクロレベルでモデル化することです。これは単純でも複雑でもあります。
さまざまな熱源を通る空気の流れのサイズを調整して、温度を許容限界未満に保ちます。 気温、強制されていない空気の流れ、ファンの空気の流れなどの要素を使用して、基本的な計算を実行し、温度の状況を大まかに理解します。
次のステップは、各熱源、PCボード、シェル表面、およびその他の要因のモデルと場所を使用して、製品全体とそのパッケージのより複雑なモデリングを実行することです。
最後に、モデリングは2つの問題を解決する必要があります。
ピークおよび平均散逸の問題。 たとえば、連続的な熱放散が1Wの定常状態のコンポーネントと、熱放散が10Wであるが、10％の断続的なデューティサイクルを持つデバイスは、異なる熱効果を持ちます。
つまり、平均熱放散は同じであり、関連する熱質量と熱流は異なる熱分布を生成します。 ほとんどのCFDアプリケーションは、静的解析と動的解析を組み合わせることができます。
ICパッケージの上部とヒートシンクの間の物理的接続など、コンポーネントの表面とミニチュアモデルの間の物理的接続の不完全性。
接続距離が短い場合、このパスの熱抵抗が増加するため、パスの熱伝導率を高めるために、接触面をサーマルパッドで満たす必要があります。
熱管理により、電源装置および内部環境のコンポーネントの温度を下げることができ、製品の寿命を延ばし、信頼性を向上させることができます。
しかし、熱管理は統合された概念であり、細かな点に分解すると、それは大きな課題です。
これには、サイズ、電力、効率、重量、信頼性、およびコストのトレードオフが含まれます。 プロジェクトの優先順位と制約を評価する必要があります。
