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性能が変化し、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、長期的な信頼性にも影響を与えます。
発熱部品は、温度上昇が許容限界を超えたとしても、システム全体を加熱します。必ずしもシステム全体が過熱していることを意味するわけではありませんが、部品によって生成された余分な熱を放散する必要があります。
では、熱はどこへ行くのでしょうか？
システムとケースに隣接するか、ケースの外側の涼しい場所に放散します (外側が内側よりも低い場合にのみ可能)。
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。熱の伝導には、放射、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、必要な冷却は、熱源から熱を伝導し、対流によって別の場所に移動することによって達成されます。
熱設計では、必要な伝導と対流を効率的に実現するために、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要素は、ヒートシンク、ヒート パイプ、およびファンの 3 つです。
ヒートシンクとヒート パイプは電源を必要としないパッシブ冷却システムですが、ファンはアクティブな強制空冷システムです。
ヒートシンク
ヒートシンクは、伝導によって熱源から熱を取り込み、対流のために熱を気流 (場合によっては水または他の液体) に伝達するアルミニウムまたは銅の構造です。
各種ラジエーター
ヒートシンクには、個々のトランジスタを接続する小さなプレス加工された金属製のフィンから、対流気流を遮断してその気流に熱を伝達する多くのフィン (フィンガ) を備えた大きな押出成形品まで、何千ものサイズと形状があります。
ヒートシンクには、可動部品、ランニング コスト、故障モードなどがないという利点があります。
ヒートシンクが熱源に接続されると、暖かい空気が上昇するにつれて自然に対流が発生し、気流が発生し続けます。
ヒートシンクは使いやすいですが、いくつかの欠点があります。
1. 大量の熱を伝達するヒートシンクはかさばり、高価で、重く、正しく配置する必要があります。これにより、回路基板の物理的なレイアウトに影響または制限が生じます。
2. 空気の流れに含まれるほこりによってフィンがふさがれ、効率が低下することがあります。
3. 熱源からラジエータ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、熱管理キットのもう 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一切使用せずに、ポイント A からポイント B に熱を伝達します。
これには、焼結コアと、それ自体がヒートシンクとして機能するのではなく、熱源から熱を吸収してより低温の領域に伝達する作動流体の密封された金属管が含まれています。
ヒート パイプは、熱源の近くにヒートシンクを配置する十分なスペースがない場合や、空気の流れが不十分な場合に使用できます。
ヒート パイプは効率的に機能し、熱源からより管理しやすい場所に熱を伝達します。
動作原理:
熱源は、密封されたチューブ内で作動流体を蒸気に変換し、蒸気は熱をヒート パイプのより低温の端に運びます。 この端で、蒸気は凝縮して液体になり、熱を放出し、流体はより高温の端に戻ります。
この気液状態遷移プロセスは連続的に実行され、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 エンドにヒートシンクまたはその他の冷却デバイスを接続すると、気流が遮断される局所的なホット スポットから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廃止し、強制空冷アクティブ冷却デバイスへの第一歩ですが、ファンにも独自の頭痛の種があります。
1. コストが高くなり、スペースが必要になり、システム ノイズが大きくなります。
2. 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、特に気流の経路が曲がったり、垂直であったり、妨げられたりしている場合は、十分な気流を確保する唯一の方法です。
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、物理的なサイズは問題です。低速の大型ファンは高速の小型ファンと同じ気流を生成できるため、サイズと速度の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
スタンドアロン パッシブ システムは、サイズは大きくなりますが、信頼性と効率性に優れています。一方、ファンは、パッシブ冷却だけでは使用できない状況でも機能します。
冷却にどのシステムを選択するかは、多くの場合難しい決定となります。
これは、必要な冷却量とその達成方法を決定するためにモデリングとシミュレーションが必要な場所であり、効率的な熱管理戦略にとって重要です。
ミニチュア モデルの場合、熱源とその熱流経路は、使用する材料、質量、およびサイズによって決まる熱抵抗によって特徴付けられます。
熱源から熱がどのように流れるかをモデル化することは、コンポーネント自体の熱放散によって熱障害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。
高放熱 IC、MOSFET、IGBT などのデバイス サプライヤは、熱源からデバイス表面までの熱経路の詳細を提供する熱モデルを提供することがよくあります。
さまざまな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。これは単純で複雑です。
さまざまな熱源からの気流は、その温度を許容限界以下に保つようにサイズ調整されています。 基本的な計算は、温度条件の大まかなアイデアを得るために、気温、利用可能な非強制気流、ファンの気流、およびその他の要因を使用して実行されます。
次に、各熱源のモデルと位置、PC ボード、ケースの表面、およびその他の要因を使用して、製品全体とそのパッケージングのより複雑なモデリングを行います。
最後に、モデリングでは次の 2 つの問題を解決する必要があります。
1. ピーク散逸と平均散逸の問題。 たとえば、1W の熱を連続的に放散する定常状態のコンポーネントは、10W の熱を放散するが 10% の断続的なデューティ サイクルを持つデバイスとは異なる熱影響を持ちます。
これは、平均熱放散が同じであることを意味し、関連する熱質量と熱流によって異なる熱分布が生成されます。 ほとんどの CFD アプリケーションは、静的と動的を組み合わせて分析できます。
2. IC パッケージの上部とヒートシンクの間の物理的な接続など、コンポーネントとマイクロモデルの表面との間の物理的な接続の不完全性。
接続のピッチが小さい場合、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にサーマル パッドを充填する必要があります。
熱管理により、電源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、製品の耐用年数を延ばし、信頼性を向上させることができます。
