熱管理技術シリーズ：電力冷却管理

電気技師が& quot;電力管理& quot;という用語に言及するとき、ほとんどの人はMOSチューブ、コンバーター、変圧器などを思い浮かべます。

実際、電力管理はそれだけではありません。

電源装置は動作中に熱を発生し、継続的な温度上昇によりパフォーマンスが変化し、最終的にシステム障害につながる可能性があります。

さらに、熱はコンポーネントの寿命を縮め、長期的な信頼性に影響を与えます。

したがって、電力管理には熱管理も含まれます。 熱管理に関しては、理解する必要のある2つの観点があります。

& quot;マイクロ& quot;|問題

過度の発熱により単一のコンポーネントが過熱しましたが、システムの他の部分とケースの温度は制限内です。

& quot;マクロ& quot;|問題

複数の熱源からの熱が蓄積するため、システム全体の温度が高すぎます。

エンジニアは、熱管理の問題のうちミクロとマクロがいくつあるか、および2つの間の相関の程度を判断する必要があります。

簡単に言えば、発熱部品の温度上昇が許容限界を超えてシステム全体が熱くなったとしても、必ずしもシステム全体が過熱しているわけではありませんが、部品から発生する過剰な熱は消散する。

では、熱はどこに行くのでしょうか？

低温の場所に散在している場合は、システムとシャーシの隣接部分である場合もあれば、シャーシの外側にある場合もあります（外部温度が内部温度よりも低い場合にのみ可能です）。

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、ラジエーター、ヒートパイプ、ファンの3つです。

ラジエーター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。1。大きな熱を伝達するラジエーターは、大きく、コストがかかり、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。

2.フィンが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。

3.熱が熱源からラジエーターにスムーズに流れることができるように、熱源に正しく接続されている必要があります。

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。

1.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。

2. 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、コンポーネントとミニチュアモデルの表面との間の不完全な物理的接続。

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。