Principio di progettazione termica dell'alimentatore switching ad alta potenza
1. Perché i prodotti elettronici necessitano di una soluzione termica
I chip dei prodotti elettronici sono altamente integrati, con requisiti sempre più funzionali e requisiti di volume sempre più piccoli. I componenti odierni si stanno rapidamente sviluppando verso la miniaturizzazione, l'elevata funzionalità e l'elevata efficienza. I componenti ad alte prestazioni genereranno molto calore a velocità elevate e questo calore deve essere rimosso immediatamente per garantire che i componenti possano funzionare alle normali temperature di esercizio. Operare con la massima efficienza. Pertanto, la relativa tecnologia di conduzione del calore è costantemente messa alla prova con lo sviluppo dell'industria elettronica.
2. Tipi di materiali del dissipatore di calore:
Oro, argento, ferro, rame, alluminio, lega di alluminio, foglio di silicone, ecc.
3. Principio di dissipazione del calore
La forma di dissipazione del calore del radiatore A comprende principalmente irraggiamento e convezione.
Trasferimento di calore per radiazione: l'energia termica viene trasmessa sotto forma di radiazione, senza alcun mezzo, può essere trasmessa in uno stato di vuoto, come l'energia termica del sole viene trasmessa alla terra attraverso l'universo.
Trasferimento di calore convettivo: l'energia termica viene trasmessa attraverso l'aria o altri mezzi, come i radiatori a convezione per riscaldare l'aria. L'aria riscalda tutto nella stanza e il movimento dell'aria si basa principalmente sul movimento dell'aria per diffondere l'energia termica.
I radiatori di irraggiamento in senso tradizionale si riferiscono a radiatori che rappresentano una quota relativa della dissipazione di calore totale. Attualmente, i radiatori radianti più tipici sono i radiatori in ghisa, a colonna in acciaio e i radiatori compositi in rame-alluminio. E così via, tra questi, l'energia termica trasmessa per irraggiamento rappresenta solo il 30% e l'altro 70% l'energia termica viene trasmessa per convezione. Il radiatore a convezione è un radiatore con scambio di calore per irraggiamento praticamente nullo (o molto piccolo), come il radiatore a convezione con tubo di rame fritto. Si riscalda più comodamente e più velocemente di un radiatore radiante.
B. I metodi di dissipazione del calore includono la dissipazione del calore per radiazione, la dissipazione del calore per conduzione, la dissipazione del calore per convezione e la dissipazione del calore per evaporazione.
Il calore generato dai vari tessuti e organi del corpo viene distribuito uniformemente a tutte le parti del corpo insieme alla circolazione sanguigna. Quando il sangue scorre attraverso i vasi sanguigni della pelle, il 90 percento del calore totale viene dissipato dalla pelle, quindi la pelle è la parte principale del corpo che dissipa il calore. C'è anche una piccola parte del calore, che viene dissipato dal corpo attraverso i polmoni, i reni e l'apparato digerente con la respirazione, l'urina e le feci.
(1) Il modo di dissipazione del calore - principalmente il modo fisico
1. Irraggiamento Per irraggiamento si intende che il corpo dissipa il calore emettendo raggi infrarossi. Quando la temperatura della pelle è superiore alla temperatura ambiente, il calore del corpo viene dissipato per irraggiamento. La dissipazione del calore da radiazione è correlata a fattori quali la temperatura della pelle, la temperatura ambiente e l'effettiva area di radiazione del corpo. In generale, la dissipazione del calore per radiazione rappresenta il 40 percento della dissipazione del calore totale. Naturalmente, se la temperatura ambiente è superiore alla temperatura della pelle, il corpo assorbirà il calore radiante. Gli operai siderurgici lavorano davanti alle fornaci, così come i contadini lavorano nei campi sotto il sole nella calda estate.
2. Conduzione e Convezione La conduzione è il modo in cui il corpo dissipa il calore trasferendo energia cinetica molecolare. Quando il corpo umano è a diretto contatto con oggetti più freddi della pelle (come vestiti, letti, sedie, ecc.), il calore viene trasferito dal corpo a questi oggetti. Clinicamente, l'uso di calotte di ghiaccio, impacchi di ghiaccio e altri metodi per raffreddare i pazienti con febbre alta utilizza questo principio.
C, lo scambio termico tra il radiatore e l'ambiente
Dopo che il calore è stato trasferito alla parte superiore del radiatore, è necessario dissipare quanto prima il calore trasmesso all'ambiente circostante. Per il radiatore raffreddato ad aria, serve a scambiare calore con l'aria circostante. In questo momento, il calore viene trasferito tra due mezzi diversi e la formula seguita è Q= XAX ΔT, dove ΔT è la differenza di temperatura tra i due mezzi, ovvero la differenza di temperatura tra il radiatore e l'aria circostante ; ed è la differenza di temperatura del fluido. La conduttività termica, dopo aver determinato il materiale del dissipatore di calore e la composizione dell'aria, è un valore fisso; il più importante A è l'area di contatto tra il dissipatore e l'aria. Premesso che altre condizioni rimangono invariate, come ad esempio il volume del dissipatore, in genere ci sarà. Tuttavia, modificando la forma del radiatore, aumentando l'area di contatto con l'aria e aumentando l'area di scambio termico, è un efficace mezzi per migliorare l'efficienza di dissipazione del calore. , Per ottenere ciò, l'area superficiale viene generalmente aumentata mediante un design delle alette integrato da irruvidimento superficiale o filettature.
Dopo che il calore è stato trasferito all'aria, la temperatura dell'aria a contatto con il dissipatore di calore aumenterà rapidamente. In questo momento, l'aria calda dovrebbe portare via il calore il più possibile con l'aria fredda circostante attraverso lo scambio di calore come la convezione. Per i radiatori raffreddati ad aria, il mezzo più importante è aumentare la velocità del flusso d'aria e utilizzare una ventola per ottenere la convezione forzata. Ciò è principalmente correlato al design della ventola e alla velocità del vento. L'efficienza della ventola del radiatore (come flusso, pressione del vento) dipende principalmente dal diametro della pala della ventola, dalla lunghezza assiale, dalla velocità della ventola e dalla forma della pala della ventola. Il flusso della ventola è per lo più in CFM (sistema imperiale, piedi cubi/minuto) e un CFM è di circa 0.028 mm3/minuto di flusso.
Radiatore in puro alluminio
Il radiatore in alluminio puro è il radiatore più comune nei primi giorni. Il suo processo di produzione è semplice e il costo è basso. Finora, il radiatore in alluminio puro occupa ancora una parte considerevole del mercato. Per aumentare l'area di dissipazione del calore delle sue alette, il metodo di lavorazione più comunemente utilizzato per i radiatori in alluminio puro è la tecnologia di estrusione dell'alluminio, e gli indicatori principali per valutare un radiatore in alluminio puro sono lo spessore della base del radiatore e il rapporto Pin-Aletta . Pin si riferisce all'altezza delle alette del dissipatore di calore e Fin si riferisce alla distanza tra due alette adiacenti. Il rapporto Pin-Fin è l'altezza del Pin (escluso lo spessore della base) divisa per la Pinna. Maggiore è il rapporto Pin-Fin, maggiore è l'area effettiva di dissipazione del calore del radiatore e più avanzata è la tecnologia di estrusione dell'alluminio.
Radiatore in rame puro
La conducibilità termica del rame è 1,69 volte quella dell'alluminio, quindi a parità di altre condizioni, i dissipatori di calore in rame puro possono sottrarre calore alla fonte di calore più velocemente. Tuttavia, la consistenza del rame è un problema. Molti "dissipatori di calore in rame puro" pubblicizzati non sono in realtà rame al 100%. Nell'elenco del rame, quelli con un contenuto di rame superiore al 99 percento sono chiamati rame privo di acidi e il grado di rame successivo è il rame Dan con un contenuto di rame inferiore all'85 percento. La maggior parte dei dissipatori di calore in rame puro attualmente sul mercato hanno un contenuto di rame tra i due. Il contenuto di rame di alcuni radiatori in rame puro di qualità inferiore non è nemmeno dell'85%. Sebbene il costo sia molto basso, la sua conduttività termica è notevolmente ridotta, il che influisce sulla dissipazione del calore. Inoltre, il rame presenta anche evidenti difetti, come il costo elevato, la lavorazione difficile e l'eccessiva massa del dissipatore di calore, che ostacolano l'applicazione di dissipatori di calore interamente in rame. La durezza del rame rosso non è buona come quella della lega di alluminio AL6063 e le prestazioni di alcune lavorazioni meccaniche (come la scanalatura) non sono buone come quelle dell'alluminio; il punto di fusione del rame è molto più alto di quello dell'alluminio, che non favorisce la formatura per estrusione (ExtrusiON) e così via.
Sebbene i materiali del dissipatore di calore più comunemente utilizzati siano il rame e le leghe di alluminio, le leghe di alluminio sono facili da lavorare e a basso costo e sono i materiali più utilizzati. La maggiore conducibilità termica del rame rende la sua capacità di assorbimento del calore istantaneo migliore di quella delle leghe di alluminio. La velocità è inferiore a quella della lega di alluminio. Pertanto, indipendentemente dal radiatore in rame puro, alluminio puro o lega di alluminio, esiste un difetto fatale: poiché viene utilizzato un solo materiale, sebbene la capacità di dissipazione del calore di base possa soddisfare le esigenze di una lieve dissipazione del calore, non può bilanciare bene la conduzione del calore . I due requisiti di capacità e capacità termica sono in qualche modo sopraffatti in occasioni con elevati requisiti di dissipazione del calore.
Tecnologia di incollaggio rame-alluminio
Dopo aver considerato le rispettive carenze di rame e alluminio, alcuni radiatori di fascia alta sul mercato utilizzano spesso processi di produzione combinati rame-alluminio. Questi dissipatori di calore utilizzano solitamente basi metalliche in rame, mentre le alette del dissipatore di calore sono realizzate in lega di alluminio. Naturalmente, oltre alla base in rame, ci sono anche metodi come l'uso di pilastri in rame per il dissipatore di calore, che è anche lo stesso principio. Con un'elevata conduttività termica, la superficie inferiore in rame può assorbire rapidamente il calore rilasciato dalla CPU; le alette in alluminio possono essere realizzate nella forma più favorevole per la dissipazione del calore mediante processi complessi e forniscono un ampio spazio di accumulo del calore e lo rilasciano rapidamente. È stato trovato un equilibrio in tutti gli aspetti.
Il calore viene dissipato dal core della CPU alla superficie del dissipatore di calore, che è un processo di conduzione del calore. Per la base del dissipatore, poiché è a diretto contatto con una piccola area di elevata fonte di calore, è necessario che la base possa condurre rapidamente il calore. L'utilizzo di materiali con maggiore conducibilità termica per il dissipatore è molto utile per migliorare la conducibilità termica. Si può vedere dalla tabella di confronto del sistema di conduzione del calore che, ad esempio, la conducibilità termica dell'alluminio è 237 W/mK e la conducibilità termica del rame è 401 W/mK. Confrontando radiatori dello stesso volume, il peso del rame è 3 volte quello dell'alluminio, mentre il calore specifico dell'alluminio è 3 volte. È solo 2,3 volte quella del rame, quindi a parità di volume un radiatore in rame può trattenere più calore di un radiatore in alluminio e riscaldarsi più lentamente. Con lo stesso spessore della base del dissipatore di calore, il rame non solo può rimuovere rapidamente la temperatura delle fonti di calore come CPU Die, ma anche il suo stesso aumento di temperatura è più lento di quello dei dissipatori di calore in alluminio. Pertanto, il rame è più adatto per realizzare la superficie inferiore del dissipatore di calore.
Tuttavia, la combinazione di questi due metalli è relativamente difficile e l'affinità tra rame e alluminio è scarsa. resistenza termica). Nella progettazione e nella produzione effettive, i produttori cercano sempre di ridurre il più possibile la resistenza termica dell'interfaccia ed evitare punti deboli, che spesso riflettono le capacità di progettazione e i processi di produzione del produttore.
4. Mezzo termico - gel di silice termicamente conduttivo.
UN. Cos'è la resistenza termica?
La cosiddetta "resistenza termica" (resistenza termica) si riferisce a un parametro completo che riflette la capacità di impedire il trasferimento di calore. Il concetto di resistenza termica è molto simile a quello di resistenza, e anche l'unità è simile - grado /W, cioè la differenza di temperatura tra le due estremità del percorso di conduzione del calore quando la potenza di trasferimento del calore continuo dell'oggetto è 1W .
B. La resistenza termica dell'aria è la più grande in natura e il suo valore è vicino a 0.03W/mK;
C. Riempi lo spazio tra il corpo riscaldante e il dissipatore di calore in metallo per ridurre l'aria, in modo che il corpo riscaldante e il dissipatore di calore mostrino una dissipazione diretta del calore per convezione.
D. Il foglio di silicone termicamente conduttivo può anche dissipare il calore indirettamente, cioè è esposto all'esterno, quindi è chiamato dissipatore di calore.
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