Løsninger til termisk styring af indlejrede kort

Øget edge processing, forbedret ydeevne og miniaturisering af indlejrede platforme har ført til en stigning i strømforbrug og varmeudvikling, hvilket skaber termiske hotspots. Termisk stress kan forringe ydeevnen i indlejrede systemer betydeligt og endda forårsage hele systemfejl. Langvarig udsættelse for overdreven varme reducerer også levetiden for elektroniske komponenter.

At forstå teknikker til varmestyring er afgørende for at holde en enhed i optimal driftstilstand. Fremskridt i elektronikindustrien har skabt behov for innovative teknologier til varmestyring for at forbedre systemets pålidelighed og ydeevne. Ifølge Market Research Future forventes det globale marked for termisk styring at nå op på 20,3 milliarder USD i 2030 og vokse med en CAGR på 8 procent mellem 2022 og 2030.

Termisk tilbehør er afgørende på tværs af forskellige elektroniske produkter, ikke kun FPGA'er, på grund af den varme, der genereres under drift. Korrekt varmestyring er afgørende for at opretholde ydeevne, pålidelighed og lang levetid i disse enheder. Her er et bud på, hvorfor termisk tilbehør er vigtigt for en række produkter:

1. Mikroprocessorer og CPU'er:

• Generering af varme: CPU'er, især i højtydende computere og servere, genererer betydelig varme på grund af intensive beregningsopgaver.
• Termisk tilbehør: Kølelegemer, termisk pasta og køleventilatorer er afgørende for at aflede varmen, forhindre termisk neddrosling og sikre en stabil ydelse.

2. Grafiske behandlingsenheder (GPU'er):

• Højt strømforbrug: GPU'er, især inden for spil, AI og databehandling, bruger meget strøm og producerer en betydelig mængde varme.
• Termisk styring: Køleløsninger som store kølelegemer, ventilatorer og nogle gange væskekøling er nødvendige for at opretholde optimale temperaturer, forhindre overophedning og opretholde høj ydeevne.

3. Strømforsyningsenheder (PSU'er):

• Varmeafledning: Strømforsyninger omdanner vekselstrøm til jævnstrøm, hvilket medfører et betydeligt energitab i form af varme.
• Løsninger til køling: Aktiv køling med ventilatorer og passiv køling med kølelegemer er afgørende for at opretholde strømforsyningens effektivitet og lange levetid.

4. Hukommelsesmoduler (RAM, DRAM):

• Driftsstabilitet: Hukommelsesmoduler med høj hastighed kan generere varme, som, hvis den ikke kontrolleres, kan føre til datakorruption eller ustabilitet i systemet.
• Termisk tilbehør: Varmespredere og køleventilatorer bruges til at aflede varme og opretholde dataintegritet og hastighed.

5. Netværksudstyr (routere, switche):

• Kontinuerlig drift: Netværksudstyr kører ofte 24/7, hvilket fører til kontinuerlig varmeudvikling.
• Krav til afkøling: Kølelegemer, ventilatorer og nogle gange miljøkøling (som aircondition i serverrum) er nødvendige for at sikre ensartet ydeevne og forhindre fejl.

6. Indlejrede systemer:

• Udfordringer med kompakt design: Indlejrede systemer arbejder ofte i begrænsede miljøer, hvor varmeafledning er vanskelig.
• Termiske løsninger: Tilpassede kølelegemer, termiske puder og specialiserede kabinetter med køling bruges til at styre varmen i disse kompakte systemer, hvilket sikrer pålidelighed i industrien og automotive applikationer.

7. Mobile enheder (smartphones, tablets):

• Termiske begrænsninger: Mobile enheder er kompakte med begrænset plads til køling, men de kører med højtydende processorer og batterier, der genererer varme.
• Innovativ køling: Teknikker som termisk neddrosling, varmespredere af grafit og avancerede materialer bruges til at styre varmen uden at øge enhedens størrelse.

8. Batterier og strømopbevaring:

• Sikkerhed og lang levetid: Batterier, især i elbiler og lagringssystemer med høj kapacitet, genererer varme under opladning og afladning.
• Termisk styring: Kølesystemer, herunder væskekøling, varmestyringssystemer og varmebestandige materialer, er afgørende for at forhindre overophedning, som kan føre til reduceret batterilevetid eller endda farlige situationer.

9. Telekommunikationsudstyr:

• Kontinuerlig varmebelastning: Basestationer, antenner og andet telekommunikationsudstyr genererer konstant varme under drift.
• Køling er en nødvendighed: Kølelegemer, ventilatorer og klimakontrollerede kabinetter er afgørende for at opretholde udstyrets pålidelighed og servicetilgængelighed.

10. Højtydende computersystemer (HPC):

• Ekstrem varmeproduktion: HPC-systemer, der bruges til videnskabelig forskning, AI og big data-analyse, involverer tætte computerklynger, der producerer betydelig varme.
• Avanceret køling: Væskekøling, nedsænkningskøling og sofistikerede luftkølingssystemer er afgørende for at styre varmen og sikre uafbrudt drift ved høj hastighed.

Termisk tilbehør er uundværligt i en lang række elektroniske produkter, ikke kun FPGA'er. De spiller en vigtig rolle i at sprede varmen, forhindre overophedning og sikre, at enhederne fungerer pålideligt og effektivt. Uden ordentlig varmestyring kan elektroniske produkter lide af nedsat ydeevne, ustabilitet og potentielt katastrofale fejl. Valget af termiske løsninger afhænger af produktets specifikke krav, herunder dets strømforbrug, størrelse og driftsmiljø.

Almindelige varmeafledningsteknikker i indlejrede løsninger

Varmeafledningsteknikker er mere afgørende end nogensinde, når systemerne bliver mindre og mere kraftfulde. Designere kan bruge flere metoder til at fjerne varme fra komponenter og printkort, og de mest almindelige mekanismer er bl.a:

Kølelegemer og køleventilatorer - Kølelegemer er store overfladiske, varmeledende metalliske dele, der fungerer som passive varmevekslere og afgiver varme til den omgivende luft via varmeledning. Tilføjelse af køleventilatorer til køleplader hjælper med at fjerne varmen hurtigere og mere effektivt. Denne kombination er en af de mest almindelige og effektive metoder til at køle indlejrede systemer, især i miljøer med begrænset luftgennemstrømning.

Figur 1: Dette kølelegeme med køleventilator hjælper med at sprede varmen fra den eller de komponenter, det er monteret på. (Billedkilde: iWave)

Integration af varmerør - Varmerør er køleenheder, der bruges i applikationer med høje temperaturer. Et typisk varmerør består af en væske, der absorberer varme, fordamper og bevæger sig langs røret. I kondensatorenden bliver dampen igen til væske, og cyklussen gentages. Varmerør er meget effektive og kan overføre varme over lange afstande, hvilket gør dem ideelle til kompakte elektroniske enheder med høj densitet.

Varmespredere - Varmespredere har en stor flad overflade, som normalt presses direkte mod en anden stor flad overflade. De tillader varmeoverførsel fra en mindre komponent til en større metaloverflade. Varmespredere er ideelle til enheder, der skal kunne modstå ekstreme stød og vibrationer, eller som er anbragt i lukkede beholdere. De giver en robust løsning til håndtering af varme i robuste og forseglede indlejrede systemer.

Termoelektriske kølere (TEC'er) - Termoelektriske kølere er ideelle til systemer, hvor komponenternes temperatur skal holdes konstant. Processorer med høj effektafledning bruger ofte en kombination af TEC'er, luftkøling og væskekøling for at nå ud over de konventionelle grænser for luftkøling. TEC'er kan køle komponenter til temperaturer under omgivelsernes, hvilket giver præcis temperaturkontrol.

Termiske vias - Termiske via-arrays er inkorporeret over kobberfyldte områder og placeret tæt på strømkilder. Med denne metode strømmer varmen fra komponenterne til kobberområdet og forsvinder gennem luften fra viaerne. Termiske vias bruges ofte i strømstyringsmoduler og komponenter med termiske puder, hvilket forbedrer PCB'ets varmeledningsevne.

Væskekølingssystemer - Væsker kan overføre varme fire gange hurtigere end luft, hvilket giver højere termisk ydeevne i mindre løsninger. Et væskekølesystem omfatter en køleplade eller et afkølet kabinet til at forbinde med varmekilden, en pumpe eller kompressor til at cirkulere væsken og en varmeveksler til at absorbere og sprede varmen på en sikker måde. Væskekøling er særlig effektiv til applikationer med høj effekt og tætpakkede elektroniske enheder.

Termiske løsninger fra iWave

iWaves ekspertteam af mekaniske ingeniører designer kølelegemer, ventilatorkøleplader og kabinetter, der er skræddersyet til de specifikke termiske egenskaber ved deres produkter. De bruger termisk simuleringssoftware til at hjælpe ingeniører med at bestemme de mest hensigtsmæssige kølemetoder og forstå de tilknyttede termiske parametre, hvilket i sidste ende forbedrer den samlede produktpålidelighed.

Analyse af varmestrømningsmønster

Ved hjælp af værktøjer som Ansys Icepak kan iWaves ingeniører simulere varmestrømningsmønstre i en enhed. Denne analyse hjælper med at identificere termiske hotspots og optimere placeringen af kølekomponenter. Ved at forstå, hvordan varmen bevæger sig gennem et system, kan ingeniører designe mere effektive løsninger til varmestyring.

Specialdesignet kølelegeme

iWave designer tilpassede kølelegemer, der passer til hvert enkelt projekts unikke behov. Designprocessen omfatter beregning af teoretiske varmeafledningsværdier baseret på overfladeareal og materialeegenskaber. Ingeniører tester derefter disse designs ved hjælp af simuleringssoftware for at sikre, at de giver tilstrækkelig køling under forskellige driftsforhold.

Kølemetoder til aktive enheder

Aktive kølemetoder, som f.eks. integration af TEC'er og køleventilatorer, overvejes også i designfasen. iWave evaluerer fordelene og begrænsningerne ved hver metode og vælger den mest effektive og omkostningseffektive løsning til hver enkelt opgave.

Termiske løsninger til alle formfaktorer

iWave tilbyder termiske løsninger til alle formfaktorer, herunder OSM, SMARC, Qseven og SODIMM. Disse løsninger bruger aluminiumslegeringen AL6063 på grund af dens fremragende materialeegenskaber. Aluminium er en fremragende leder, ugiftig, genanvendelig og meget holdbar, hvilket gør den ideel til at overføre varme fra komponenter.

Ved hjælp af interne termiske løsninger kan produktdesignere reducere implementeringsomkostningerne ved at eliminere tekniske forsinkelser, fejl i marken og gentagelser af produkter. Ved at reducere den mængde varme, som enheden afgiver, forbedres effektiviteten og pålideligheden, hvilket sikrer produktets levetid.

Konklusion

Den stigende kompleksitet og effekttæthed i indlejrede systemer kræver avancerede teknikker til varmestyring. Ved at anvende en række forskellige varmeafledningsmetoder, fra køleplader og køleventilatorer til væskekølingssystemer og termiske vias, kan designere sikre optimal ydeevne og pålidelighed af deres enheder. Virksomheder som iWave leverer specialiserede termiske løsninger, der er skræddersyet til deres produkters specifikke behov, og udnytter avancerede simuleringsværktøjer og brugerdefinerede designs til at imødekomme udfordringerne i moderne elektronik.

Kontakt iWave direkte for at få flere oplysninger om deres ekspertise inden for termiske løsninger.