En introduktion til termisk styring

Elektroniske systemer bliver stadig tættere og varmere, hvilket betyder, at mange systemer kræver en metode til at styre varmen. Selv om det ikke er nødvendigt at udvikle en løsning til varmestyring for alle konstruktioner, er det vigtigt at have en grundlæggende forståelse af, hvordan varme genereres, flyttes og fjernes, for at undgå at vigtige komponenter beskadiges af høje temperaturer. I sidste ende skal termisk styring overvejes i de tidlige designfaser og ikke som en løsning på et plaster på såret i det endelige design.

Grundlæggende om varmestyring

Da der stilles større krav til elektroniske systemer, er der ifølge teorien tre måder at overføre varme på, og dermed køle komponenter på: Varmeledning, konvektion og stråling.

Varmeledning er måske den mest effektive energioverførselsmetode og overfører varmeenergi gennem fysisk kontakt mellem to genstande, hvor den køligere genstand naturligt trækker energi væk fra den varmere genstand. Generelt kræver denne metode det mindste overfladeareal for at flytte den største energi.

Figur 1: Ledning i praksis. (Billedkilde: Same Sky)

For det andet omfordeler konvektion varmeenergi via luftbevægelse. Når køligere luft passerer forbi en varmere genstand, trækker den varmen væk fra genstanden og transporterer den væk, mens den fortsætter med at bevæge sig gennem enheden. Denne metode kan udføres ved naturlig luftkonvektion eller tvungen luftkonvektion via en ventilator.

Figur 2: Konvektion i praksis. (Billedkilde: Same Sky)

For det tredje er stråling udsendelse af energi som en elektromagnetisk bølge. Denne metode er forholdsvis ineffektiv og ignoreres i de fleste termiske beregninger, fordi den generelt kun gælder for vakuum-applikationer, hvor ledning og konvektion ikke er en mulighed. I princippet er stråling overførsel af varme gennem elektromagnetiske bølger, der opstår, når varme partikler vibrerer.

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

Selv om det ikke er et af de tre grundlæggende termiske begreber, der er beskrevet ovenfor, er det også vigtigt at nævne termisk modstand eller impedans, som kvantificerer effektiviteten af termisk transmission mellem objekter og anvendes i vid udstrækning ved design af løsninger til termisk styring. Jo lavere den termiske impedans er, jo bedre er energioverførslen. Ved hjælp af termisk impedans og en given omgivelsestemperatur er det muligt at beregne nøjagtigt, hvor meget effekt der kan afgives, før visse temperaturer nås.

Termiske styringskomponenter

Der findes tre populære metoder til køling af elektroniske systemer: Køleplader, ventilatorer og Peltier-moduler. De kan bruges hver for sig, men kan være endnu mere effektive, når de integreres sammen.

Kølelegmer er tilgængelige i mange former og størrelser. De bruges til at forbedre effektiviteten af konvektionskøling ved at mindske den termiske impedans mellem de enheder, som de er monteret på, og kølemediet, normalt luft. Det gør de ved at øge konvektionsoverfladen og er fremstillet af et materiale, der har en lavere termisk impedans end typiske halvledere. Kølelegmer er billige og går næsten aldrig i stykker eller bliver slidt op, men de har en tendens til at øge volumenet af de elektroniske systemer, som de køler. Som passive komponenter er kølelegmer ofte kombineret med blæsere for at flytte den varmeenergi, der spredes, væk fra systemet mere effektivt. Ventilatorer eller blæsere skaber en konstant strøm af frisk kølig luft over et kølelegme for at opretholde temperaturforskellen mellem den og køleluften for at sikre fortsat effektiv overførsel af varmeenergi.

Ventilatorer og blæsere er tilgængelige i mange forskellige former og størrelser og med mange forskellige effektmuligheder. Den vigtigste specifikation er den luftstrøm, de kan generere, typisk målt i kubikfod pr. minut (CFM). Nogle ventilatorer og blæsere har styringer, så deres hastighed kan justeres for at matche det aktuelle kølebehov som en del af et feedback baseret styresystem. Ventilatorer hjælper med at forbedre køling, men designere skal være opmærksomme på, at de kræver strøm og nogle gange styringskredsløb. I modsætning til kølelegmer kan ventilatorer også larme og have bevægelige dele, hvilket gør dem mere udsatte for fejl.

Peltier-enheder er halvlederkomponenter, der bruger Peltier-effekten til at overføre varme fra den ene side af et modul til den anden. Peltier-enheder skal tilføres energi for at kunne flytte termisk energi, hvilket faktisk tilføjer varme til systemet, så de anvendes bedst sammen med kølelegmer og ventilatorer. Peltier-moduler kan imidlertid opnå en præcis temperaturregulering og kan køle enheder under omgivelsestemperaturen. Ligesom kølelegmer har de ikke bevægelige dele, så de er fleksible og robuste i sig selv, men igen skal de måske bruges sammen med ventilatorer, køleplader og kontrolkredsløb, hvilket øger omkostningerne og kompleksiteten. Af disse grunde er Peltier-moduler ofte forbeholdt de mest krævende anvendelser, f.eks. udvinding af termisk energi fra hjertet af tæt pakkede elektroniske systemer.

Beregning af varmebehov

Uanset hvad de endelige designkrav måtte være, er der veletablerede metoder til at designe en effektiv køleløsning til elektroniske systemer. For at illustrere, hvordan en ingeniør kan gå til værks for at skabe en integreret løsning til varmestyring, er der her et hypotetisk problem og en løsning:

I dette eksempel anvendes en enhed i en 10 mm x 15 mm stor pakke, der genererer 3,3 W varme i stationær tilstand. Den omgivende temperatur i enhedens driftsmiljø er 50 °C, med en ideel driftstemperatur på 40 °C. Ingen del af systemet må overstige 100 °C.

Figur 4: Graf over Peltier-modulets ydeevne fra databladet CP2088-219 (Billedkilde: Same Sky)

Disse specifikationer betyder, at der er behov for et Peltier-modul for at bringe enhedens temperatur under den omgivende temperatur. Same Sky tilbyder CP2088-219, et mikro-Peltier-modul, der kan fjerne 3,3 W varmeenergi og reducere en enheds temperatur til 10 °C under den omgivende temperatur. Peltier-modulet er fastgjort til enheden ved hjælp af SF600G, et termisk grænseflademateriale (TIM), der reducerer den termiske impedans mellem enheden og køleren. Databladet for CP2088-219 (figur 4) viser, at Peltier-modulet kræver 1,2 A ved 2,5 V, hvilket betyder, at dets drift vil tilføje 3 W termisk energi til systemet.

For at fjerne de i alt 6,3 W varmeenergi fra Peltier-modulet er der på den anden side af modulet monteret et kølelegme (HSS-B20-NP-12), igen med SF600G TIM som grænseflade. TIM'en har et areal på 8,8 mm x 8,8 mm og en termisk modstand på lige under 1,08 °C/W.

Kølelegmer har en termisk modstand på 3,47 °C/W, hvis man antager en luftstrøm gennem det på 200 lineære fod pr. minut (LFM).

Dette bringer den samlede termiske modstand for den kombinerede TIM og kølelegme op på 4,55 °C/W.

For at opnå en konstant luftstrøm på 200 LFM kan der anvendes en ventilator fra CFM-25B-serien.

Opsætningen forbinder den enhed, der skal køles, med et Peltier-modul via en TIM. Peltier-modulets øverste overflade er forbundet til en Kølelegme via en anden TIM, og hele samlingen befinder sig inden for 200 LFM af 50 °C varm luft.

Figur 5: Termisk styringsløsning med en Peltier-enhed, kølelegmer, to TIM-lag og ventilator (Billedkilde: Same Sky)

Ved hjælp af disse data kan enhedens stationære temperatur beregnes. Peltier-modulet vil holde sin kølige side på 40 °C på bekostning af 3,3 W varmetilførsel til samlingen. Kølelegmet skal afgive 6,3 W varme til et luftstrømningsmiljø på 50 °C, med en samlet termisk modstand mellem Peltier-modulet og den omgivende luft på 4,55 °C/W. Ved at gange 6,3 W med 4,55 °C/W får man temperaturstigningen i forhold til omgivelserne, som i dette tilfælde er 28,67 °C eller 78,67 °C i alt. Dette er et godt stykke under kravet på 100 °C, hvilket resulterer i en løsning til varmestyring, der opfylder systemets behov.

Konklusion

Varmestyring er allerede nødvendig i forbrugerapplikationer som f.eks. køling, HVAC, 3D-printing og affugtere. Det anvendes også i videnskabelige og industrielle applikationer som f.eks. termiske cykling til DNA-syntese og lasere med høj præcision. Kølelegmer, ventilatorer og Peltier-moduler kan hjælpe med at sikre, at komplekse elektroniske systemer forbliver inden for deres termiske designgrænser. Same Sky tilbyder en række komponenter til termisk styring for at forenkle denne kritiske udvælgelsesproces.