बिजली की आपूर्ति ऑपरेशन के दौरान गर्मी उत्पन्न करती है, और निरंतर तापमान वृद्धि से प्रदर्शन में बदलाव आएगा, जो अंततः सिस्टम की विफलता का कारण बन सकता है; इसके अलावा, गर्मी घटकों के जीवन को भी कम कर देगी और दीर्घकालिक विश्वसनीयता को प्रभावित करेगी।
एक गर्मी पैदा करने वाला घटक, भले ही तापमान वृद्धि इसकी स्वीकार्य सीमा से अधिक हो, पूरे सिस्टम को गर्म करने का कारण बनता है, इसका मतलब यह नहीं है कि पूरी प्रणाली ज़्यादा गरम है, लेकिन घटक द्वारा उत्पन्न अतिरिक्त गर्मी को नष्ट करना होगा।
तो गर्मी कहाँ जाती है?
या तो सिस्टम और केस के निकट, या केस के बाहर एक ठंडे स्थान पर विसर्जित करें (केवल तभी संभव है जब बाहर अंदर से ठंडा हो)।
थर्मल प्रबंधन समाधान
थर्मल प्रबंधन भौतिकी के बुनियादी सिद्धांतों का पालन करता है, और गर्मी के संचालन के तीन तरीके हैं: विकिरण, चालन और संवहन।
अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के लिए, आवश्यक शीतलन ताप के स्रोत से ऊष्मा का संचालन करके और फिर इसे संवहन द्वारा कहीं और स्थानांतरित करके प्राप्त किया जाता है।
थर्मल डिज़ाइन को आवश्यक चालन और संवहन को कुशलतापूर्वक प्राप्त करने के लिए विभिन्न थर्मल प्रबंधन हार्डवेयर के संयोजन की आवश्यकता होती है।
तीन सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले शीतलन तत्व हैं: हीट सिंक, हीट पाइप और पंखे।
हीट सिंक और हीट पाइप निष्क्रिय शीतलन प्रणाली हैं जिन्हें बिजली की आपूर्ति की आवश्यकता नहीं होती है, जबकि पंखे एक सक्रिय मजबूर वायु शीतलन प्रणाली हैं।
ताप सिंक
एक गर्मी सिंक एक एल्यूमीनियम या तांबे की संरचना है जो चालन द्वारा गर्मी स्रोत से गर्मी को पकड़ती है और गर्मी को संवहन के लिए वायु प्रवाह (कुछ मामलों में, पानी या अन्य तरल पदार्थ) में स्थानांतरित करती है।
विभिन्न प्रकार के रेडिएटर
हीट सिंक हजारों आकार और आकार में आते हैं, छोटे मुद्रांकित धातु के पंखों से जो अलग-अलग ट्रांजिस्टर को कई पंखों (उंगलियों) के साथ बड़े एक्सट्रूज़न से जोड़ते हैं जो संवहन वायुप्रवाह को रोकते हैं और उस वायुप्रवाह में गर्मी स्थानांतरित करते हैं।
हीटसिंक के पास चलने वाले पुर्जे, चलने की लागत, विफलता मोड और बहुत कुछ नहीं होने का लाभ है।
एक बार जब हीट सिंक ऊष्मा स्रोत से जुड़ा होता है, तो संवहन स्वाभाविक रूप से होता है क्योंकि गर्म हवा ऊपर उठती है, शुरू होती है और एयरफ्लो बनाना जारी रखती है।
हालांकि हीट सिंक का उपयोग करना आसान है, इसमें कुछ कमियां हैं:
1. बड़ी मात्रा में गर्मी संचारित करने वाले हीट सिंक भारी, महंगे और भारी होते हैं, और उन्हें सही ढंग से रखा जाना चाहिए, जो सर्किट बोर्ड के भौतिक लेआउट को प्रभावित या सीमित करेगा;
2. दक्षता को कम करने, वायु प्रवाह में धूल से पंखों को अवरुद्ध किया जा सकता है;
3. इसे ऊष्मा स्रोत से ठीक से जुड़ा होना चाहिए ताकि ऊष्मा स्रोत से रेडिएटर तक आसानी से प्रवाहित हो सके।
वेग पाइप
यह थर्मल प्रबंधन किट का एक अन्य महत्वपूर्ण घटक है, जो किसी भी प्रकार के सक्रिय बल तंत्र के बिना बिंदु A से बिंदु B तक गर्मी स्थानांतरित करता है।
इसमें एक निसादित कोर और काम करने वाले द्रव की एक सीलबंद धातु की ट्यूब होती है जो स्वयं हीट सिंक के रूप में कार्य नहीं करती है, बल्कि ऊष्मा स्रोत से ऊष्मा को अवशोषित करती है और इसे एक ठंडे क्षेत्र में स्थानांतरित करती है।
हीट पाइप का उपयोग तब किया जा सकता है जब हीट स्रोत के पास हीट सिंक के लिए पर्याप्त जगह न हो या जब हवा का प्रवाह अपर्याप्त हो।
हीट पाइप कुशलता से काम करते हैं और गर्मी को स्रोत से अधिक प्रबंधनीय स्थान पर स्थानांतरित करते हैं।
काम के सिद्धांत:
ऊष्मा स्रोत कार्यशील द्रव को सीलबंद ट्यूब के भीतर भाप में परिवर्तित करता है, और भाप ऊष्मा पाइप के ठंडे सिरे तक ऊष्मा पहुँचाती है। इस छोर पर, वाष्प एक तरल में संघनित होता है और गर्मी छोड़ता है, और द्रव गर्म सिरे पर लौटता है।
यह गैस-तरल राज्य संक्रमण प्रक्रिया लगातार चलती है और केवल ठंडे और गर्म सिरों के बीच तापमान के अंतर से संचालित होती है।
ठंडे सिरे पर हीट सिंक या अन्य कूलिंग डिवाइस को जोड़ने से स्थानीयकृत गर्म स्थानों से गर्मी के अपव्यय की समस्या का समाधान हो सकता है जहां वायु प्रवाह अवरुद्ध है।
पंखा
यह एक मजबूर-वायु-ठंडा सक्रिय शीतलन उपकरण की ओर पहला कदम है, जो निष्क्रिय रेडिएटर्स और हीट पाइपों को खोदता है, लेकिन प्रशंसकों के अपने सिरदर्द भी होते हैं:
1. लागत बढ़ाएँ, स्थान की आवश्यकता होती है, और सिस्टम शोर में वृद्धि होती है;
2. यह विफलता के लिए प्रवण है, ऊर्जा की खपत करता है और पूरे सिस्टम की दक्षता को प्रभावित करता है।
लेकिन कई मामलों में, विशेष रूप से जब वायु प्रवाह पथ घुमावदार, लंबवत या बाधित होता है, तो वे अक्सर पर्याप्त वायु प्रवाह प्राप्त करने का एकमात्र तरीका होते हैं।
एक पंखे की क्षमता को परिभाषित करने वाला प्रमुख पैरामीटर प्रति मिनट हवा की इकाई लंबाई या इकाई मात्रा प्रवाह है।
भौतिक आकार हालांकि एक मुद्दा है: कम गति पर एक बड़ा पंखा उच्च गति पर छोटे पंखे के समान वायु प्रवाह का उत्पादन कर सकता है, इसलिए आकार-गति व्यापार-बंद है।
मॉडलिंग और व्यापक सिमुलेशन
स्टैंडअलोन निष्क्रिय प्रणालियाँ आकार में बड़ी होती हैं, लेकिन अधिक विश्वसनीय और कुशल होती हैं, जबकि पंखे उन स्थितियों में काम कर सकते हैं जहाँ अकेले निष्क्रिय शीतलन का उपयोग नहीं किया जा सकता है।
शीतलन के लिए कौन सी प्रणाली का चयन करना अक्सर एक कठिन निर्णय हो सकता है।
यह वह जगह है जहां यह निर्धारित करने के लिए मॉडलिंग और सिमुलेशन की आवश्यकता होती है कि कूलिंग की कितनी आवश्यकता है और इसे कैसे प्राप्त किया जाए, जो एक कुशल थर्मल प्रबंधन रणनीति के लिए महत्वपूर्ण है।
लघु मॉडलों के लिए, ऊष्मा स्रोत और ऊष्मा प्रवाह के लिए उनके पथ उनके तापीय प्रतिरोध की विशेषता है, जो सामग्री, द्रव्यमान और उपयोग किए गए आकार द्वारा निर्धारित किया जाता है।
मॉडलिंग दिखा रहा है कि गर्मी स्रोत से गर्मी कैसे बहती है, उन घटकों का मूल्यांकन करने में पहला कदम है जो अपनी गर्मी अपव्यय के कारण थर्मल विफलता का कारण बनते हैं।
डिवाइस आपूर्तिकर्ता जैसे उच्च ताप अपव्यय IC, MOSFETs और IGBT अक्सर थर्मल मॉडल प्रदान करते हैं जो ताप स्रोत से डिवाइस की सतह तक थर्मल पथ का विवरण प्रदान करते हैं।
एक बार जब विभिन्न घटकों के थर्मल भार ज्ञात हो जाते हैं, तो अगला कदम मैक्रो स्तर पर मॉडल करना होता है, जो उतना ही सरल है जितना कि यह जटिल है:
विभिन्न ताप स्रोतों से वायु प्रवाह को इसके तापमान को स्वीकार्य सीमा से नीचे रखने के लिए आकार दिया जाता है; तापमान की स्थिति का अंदाजा लगाने के लिए हवा के तापमान, उपलब्ध अनफोर्स्ड एयरफ्लो, फैन एयरफ्लो और अन्य कारकों का उपयोग करके बुनियादी गणना की जाती है।
इसके बाद पूरे उत्पाद का एक अधिक जटिल मॉडलिंग आता है और प्रत्येक ताप स्रोत, पीसी बोर्ड, केस की सतह और अन्य कारकों के मॉडल और स्थान का उपयोग करके इसकी पैकेजिंग की जाती है।
अंत में, मॉडलिंग को दो समस्याओं का समाधान करना है:
1. चोटी और औसत अपव्यय की समस्या। उदाहरण के लिए एक स्थिर अवस्था घटक जो लगातार 1W ऊष्मा का प्रसार करता है, उस उपकरण की तुलना में एक अलग तापीय प्रभाव होता है जो 10W ऊष्मा का प्रसार करता है लेकिन 10 प्रतिशत आंतरायिक कर्तव्य चक्र होता है।
इसका मतलब है कि औसत गर्मी अपव्यय समान है, और संबंधित थर्मल द्रव्यमान और गर्मी प्रवाह अलग-अलग गर्मी वितरण का उत्पादन करेगा। अधिकांश सीएफडी अनुप्रयोगों का स्थिर और गतिशील के संयोजन के साथ विश्लेषण किया जा सकता है।
2. घटकों और माइक्रोमॉडल सतहों के बीच भौतिक संबंधों में खामियां, जैसे आईसी पैकेज के शीर्ष और हीट सिंक के बीच भौतिक संबंध।
यदि कनेक्शन में एक छोटी सी पिच है, तो इस पथ का थर्मल प्रतिरोध बढ़ जाएगा, और पथ की तापीय चालकता को बढ़ाने के लिए संपर्क सतह पर थर्मल पैड भरना आवश्यक है।
थर्मल प्रबंधन बिजली की आपूर्ति और आंतरिक वातावरण में घटकों के तापमान को कम कर सकता है, जो उत्पाद के सेवा जीवन को लम्बा खींच सकता है और विश्वसनीयता में सुधार कर सकता है।
