Cómo optimizar la gestión térmica de dispositivos electrónicos

Introducción:

Todos los dispositivos funcionan generando calor como subproducto. Para evitar que estos dispositivos se sobrecalienten, se requiere una gestión térmica. La eficiencia de un dispositivo es inversamente proporcional a la temperatura. Posteriormente, los componentes de alto rendimiento generan calor que puede reducir la vida útil del dispositivo y reducir la eficiencia. Por lo tanto, debemos mantener la temperatura bajo control eliminando el calor generado por estos dispositivos.

Con el tiempo, nuestros dispositivos se han vuelto más pequeños, pero con mayor funcionalidad. Esto condujo a un procesamiento más rápido y, como resultado, a una mayor generación de calor con un mayor consumo de energía. Del mismo modo, los implementos también se miniaturizan para dispersar el calor y pueden convertirse en un desafío para los ingenieros. Generalmente, la disipación de calor debe ser proporcional a la disipación de potencia, según la ecuación de potencia. Los tres problemas principales a los que se enfrentan los ingenieros a la hora de gestionar la disipación de energía incluyen las PCB densas, la mayor densidad de chips IC y el tamaño y la movilidad de los dispositivos.

Algunos componentes producen cantidades bajas de calor, mientras que otros dispositivos producen cantidades relativamente altas de calor. Por lo tanto, se deben tomar medidas para prolongar su vida útil y confiabilidad. Por lo general, los componentes eléctricos aislados que producen calor lo harán hasta que el calor producido dentro del dispositivo sea igual al calor perdido hacia los alrededores y el dispositivo alcance el equilibrio. El calor generalmente se genera debido a la resistencia al flujo de electrones en el material. A menor resistencia, mayor es la conductividad y menor calor se genera. Esto se demuestra mediante la ley de Joule H=I2Rt.

Gestión Térmica en Dispositivos:

La gestión del calor es una parte importante del diseño electrónico. Para garantizar la eficiencia y la precisión de los componentes y los puntos calientes del sistema, el exceso de calor debe transportarse lejos de ellos. Los ingenieros pueden utilizar un diseño térmico inteligente para reducir los errores relacionados con el calor. Hay tres fuerzas motrices estrictas que exigen materiales para la gestión térmica.

Primero, para mejorar la velocidad, los diseñadores comprimieron el núcleo de los microprocesadores a tamaños más pequeños. Esto nos da mayores generaciones de calor por unidad de área. Como resultado, la caída de temperatura causada por la conducción dentro del microprocesador y el disipador de calor se vuelve comparable a la caída de temperatura máxima permitida. En segundo lugar, hay un aumento en el aumento de temperatura a través de la interconexión entre transistores. Esto se debe al aumento de las capas de metal y al aumento de las densidades de corriente entre las interconexiones. En tercer lugar, hay un aumento en el aumento de la temperatura dentro de las tecnologías de transistores contemporáneas y planificadas. Una disminución en las dimensiones del canal conduce a un aumento de la densidad de potencia y al desequilibrio entre electrones y fonones dentro de los dispositivos. Estos plantean desafíos para la investigación en materiales y física del estado sólido.

Enfriamiento de Electrónica:

Según la ley de enfriamiento de Newton, la tasa de pérdida de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. A medida que aumenta la temperatura del cuerpo, también aumenta la pérdida de calor. Cuando la tasa de pérdida de calor está en equilibrio con la tasa de calor producido, el dispositivo alcanza su temperatura de equilibrio. Esta temperatura puede reducir la vida útil de los componentes y se deben tomar ciertas medidas para la gestión térmica.

Una forma de controlar la temperatura en circuitos o dispositivos es aumentar el flujo de aire a través de la ventilación. Esto resultará en temperaturas de operación más bajas. Además, tenga en cuenta que la densidad atmosférica reducida en altitudes más altas da como resultado una transferencia de calor menos efectiva a los alrededores y temperaturas de funcionamiento más altas. Hay varias formas de enfriar los dispositivos, como disipadores de calor, enfriadores termoeléctricos, sistemas de aire y ventiladores, etc.

1:Disipadores de calor

La pérdida de calor se produce en la superficie de los componentes y aumenta con el aumento del área superficial. Una forma de reducir la temperatura de funcionamiento es aumentando el área de superficie. Esto se logra conectando un disipador de calor de metal al dispositivo. El disipador de calor suele ser un buen conductor del calor, como el cobre, el aluminio, etc. Los disipadores de calor son más efectivos si toda la unidad está bien ventilada. Por lo general, cuando los disipadores de calor y los componentes entran en contacto, existe un pequeño espacio de aire entre los dos sobre la superficie. El aire es un mal conductor del calor, por lo que limita la pérdida de calor de un dispositivo. Para superar este efecto, se utilizan compuestos de transferencia de calor.

2:Difusores de calor

Los difusores de calor también se utilizan como dispositivos de refrigeración. Son placas o láminas de metal térmicamente conductoras que se utilizan para distribuir el calor en un área más amplia. Se utiliza como una interfaz térmica intermedia entre la fuente de calor y el intercambiador de calor secundario (disipador de calor, etc.). El disipador de calor se puede aplicar como placa de respaldo para PCB con componentes generadores de calor. Las vías térmicas se utilizan como canales térmicos entre el disipador de calor y los paquetes de componentes para mejorar el flujo de calor.

3:Tubos de calor

Los tubos de calor son tubos huecos sellados que contienen un líquido o refrigerante. Un extremo está conectado a la fuente de calor y el otro extremo a un intercambiador de calor secundario (como un disipador de calor). El calor generado hierve el líquido en un extremo que viaja al extremo más frío donde los vapores se condensan y regresan al extremo calentado. Por lo general, están hechos de metal conductor y son adecuados para diseños de tableros con espacio limitado.

4:Materiales de interfaz térmica

Estos son materiales prefabricados térmicamente conductores que están disponibles en una variedad de formas (almohadillas, adhesivos, geles, etc.) Están diseñados para llenar los espacios de aire entre las superficies de contacto. Como resultado, se utiliza el área de superficie máxima para la transferencia de calor y se reduce la temperatura de funcionamiento. Los compuestos de transferencia de calor pueden ser de muchos tipos. Electrolubes produce pastas termoconductoras que consisten en rellenos minerales en un fluido portador (que puede ser sin silicona o con base de silicona). Las pastas a base de silicona tienen temperaturas de funcionamiento más altas que las pastas sin silicona. Es importante que, al utilizar material termoconductor, la interfaz entre el dispositivo y el disipador de calor esté completamente llena.

5:Aire forzado

El aire forzado es otro método común que se usa para enfriar. Esto se puede hacer mediante el uso de un ventilador o soplador para aumentar el flujo de aire sobre un componente generador de calor. Esto aumenta el flujo de aire calentado lejos del disipador de calor y puede mejorar la disipación de calor. Se pueden usar ventiladores de varios tamaños y se puede optimizar su ubicación para mejorar la trayectoria del flujo.

6:Bombas de calor de estado sólido

También conocidos como TEC (refrigeradores termoeléctricos), son dispositivos semiconductores delgados y compactos que se colocan entre la fuente de calor y el disipador de calor para mejorar la disipación del calor. Se aplica un voltaje al TEC que crea una diferencia de temperatura entre los dos lados del dispositivo y permite la transferencia de calor por conducción. Aunque estos no son muy eficientes, mueven grandes cantidades de calor y tienen una vida útil más larga. Además, cuando se invierte la corriente, se invierte el flujo de transferencia de calor, lo que convierte el dispositivo en un calentador y puede resultar ideal para aplicaciones de control de temperatura.