Una breve introduzione sulla gestione termica

I sistemi elettronici stanno diventando sempre più densi e caldi, il che significa che molti richiedono un metodo per gestire il calore. Sebbene sviluppare una soluzione di gestione termica non sia necessario per ogni progetto, è essenziale capire come si genera, sposta e si elimina il calore, per evitare che i componenti chiave si danneggino a causa di temperature elevate. In fin dei conti, la gestione termica deve essere considerata nelle prime fasi di progettazione, non dev'essere una soluzione di ripiego nel progetto finale.

Principi base di gestione termica

Vista la crescente domanda posta sui sistemi elettronici, esistono tre modi per trasferire il calore e raffreddare i componenti: conduzione, convezione e irraggiamento.

Forse il metodo di trasferimento termico più efficace, la conduzione trasferisce l'energia termica attraverso il contatto fisico tra due oggetti dove l'oggetto più freddo attira naturalmente l'energia dall'oggetto più caldo. In generale, questo metodo richiede la superficie più piccola per trasferire la maggior quantità di energia.

Figura 1: La conduzione nella pratica. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Secondo, la convezione ridistribuisce l'energia termica attraverso il movimento dell'aria. Quando l'aria più fredda passa vicino a un oggetto più caldo, attira il calore da questo oggetto e lo allontana mentre continua a muoversi attraverso il dispositivo. Questo metodo può essere realizzato per convezione naturale dell'aria o per convezione forzata tramite un ventilatore.

Figura 2: La convezione nella pratica. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Terzo, l'irraggiamento è l'emissione di energia come onda elettromagnetica. Comparativamente, questo metodo è piuttosto inefficace e ignorato nella maggior parte dei calcoli termici perché generalmente si applica solo alle applicazioni sotto vuoto, dove la conduzione e la convezione non sono possibili. In principio, l'irraggiamento è il trasferimento di calore attraverso le onde elettromagnetiche create quando le particelle calde vibrano.

Figura 3: L'irraggiamento nella pratica. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Anche se non è uno dei tre concetti termici di base delineati sopra, è anche importante menzionare la resistenza termica, o impedenza, che quantifica l'efficacia della trasmissione termica tra gli oggetti e viene ampiamente utilizzata nella progettazione di soluzioni di gestione termica. In poche parole, più bassa è l'impedenza termica, migliore è il trasferimento termico. Utilizzando l'impedenza termica e una data temperatura ambiente, è possibile calcolare esattamente quanta potenza può essere dissipata prima di raggiungere determinate temperature.

Componenti per la gestione termica

Sono tre gli approcci comuni per il raffreddamento dei sistemi elettronici: dissipatori di calore, ventole e celle di Peltier. Ognuno può essere usato da solo, ma per un'efficacia ancora maggiore questi possono essere usati in modo complementare.

I dissipatori di calore sono disponibili in molte forme e dimensioni. Sono utilizzati per migliorare l'efficacia del raffreddamento per convezione diminuendo l'impedenza termica tra i dispositivi su cui sono montati e il mezzo di raffreddamento, di solito l'aria. Lo fanno aumentando la superficie di convezione e sono costruiti con un materiale avente un'impedenza termica più bassa dei tipici semiconduttori. I dissipatori di calore sono a basso costo e non si guastano o logorano quasi mai, ma tendono ad aumentare il volume dei sistemi elettronici che raffreddano. Come componenti passivi, i dissipatori di calore sono spesso accoppiati con le ventole per spostare l'energia termica dissipata dal sistema in modo più efficace. Le ventole o soffianti creano un flusso costante di aria fresca sopra un dissipatore di calore per mantenere costante la differenza di temperatura tra essa e l'aria di raffreddamento in modo da assicurare un trasferimento di energia termica continuo ed efficiente.

Le ventole e soffianti sono disponibili in un'ampia varietà di forme e dimensioni con molte opzioni di potenza. La specifica chiave è il flusso d'aria che possono generare, tipicamente misurato in metri cubi al minuto (m³/min). Alcune ventole e soffianti hanno una serie di controlli in modo che se ne possa regolare la velocità in base alle esigenze di raffreddamento, come parte di un sistema di controllo basato sulla retroazione. Le ventole aiutano a migliorare il raffreddamento, ma i progettisti devono essere consapevoli del fatto che richiedono potenza e talvolta circuiti di controllo. A differenza dei dissipatori di calore, le ventole possono anche essere rumorose e hanno parti in movimento che le rendono più soggette a guasti.

Le celle di Peltier sono componenti a semiconduttore che utilizzano l'effetto di Peltier per trasferire il calore da un lato all'altro di un modulo. Le celle di Peltier devono essere fornite di energia per spostare l'energia termica, che in realtà aggiunge calore al sistema, quindi sono meglio utilizzate insieme con dissipatori di calore e ventole. Tuttavia, le celle di Peltier possono realizzare la regolazione precisa della temperatura e possono raffreddare i dispositivi al di sotto della temperatura ambiente. Come i dissipatori di calore, non hanno parti in movimento, quindi sono flessibili e robusti, ma possono richiedere l'aggiunta di ventole, dissipatori di calore e circuiti di controllo, aumentando il costo e la complessità del prodotto finale. Per queste ragioni, le celle di Peltier sono spesso riservate alle applicazioni più esigenti, come l'estrazione di energia termica dal nucleo dei sistemi elettronici ad alta densità di incapsulamento.

Calcolo dei requisiti termici

Qualunque siano i requisiti finali del progetto, vi sono approcci consolidati per progettare una soluzione di raffreddamento efficace per i sistemi elettronici. Per aiutare a illustrare come ci si potrebbe avvicinare alla creazione di una soluzione di gestione termica integrata, ecco un problema ipotetico e una soluzione:

questo esempio utilizzerà un dispositivo in un contenitore di 10 x 15 mm che genera 3,3 W di calore in stato stazionario. La temperatura dell'ambiente operativo del dispositivo è di 50 °C, con una temperatura di funzionamento ideale di 40 °C. Nessun componente del sistema deve superare i 100 °C.

Figura 4: Grafico delle prestazioni di una cella di Peltier dalla scheda tecnica CP2088-219 (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Queste specifiche indicano che è necessaria una cella di Peltier per portare la temperatura del dispositivo al di sotto della temperatura ambiente. Same Sky offre il modello CP2088-219, una microcella di Peltier che può rimuovere 3,3 W di energia termica e ridurre la temperatura di un dispositivo di 10 °C sotto la temperatura ambiente. La cella di Peltier è montata al dispositivo mediante SF600G, un materiale di interfaccia termica (TIM) che riduce l'impedenza termica tra il dispositivo e il raffreddatore. La scheda tecnica CP2088-219 (Figura 4) mostra che la cella di Peltier richiede 1,2 A a 2,5 V, il che significa che il suo funzionamento aggiungerà 3 W di energia termica al sistema.

Per eliminare i 6,3 W totali di energia termica dalla cella di Peltier, viene montato un dissipatore di calore (HSS-B20-NP-12) sull'altro lato, sempre usando come interfaccia il TIM SF600G. Il TIM ha una superficie di 8,8 x 8,8 mm e una resistenza termica di poco meno di 1,08 °C/W.

Il dissipatore di calore ha una resistenza termica di 3,47 °C/W, assumendo un flusso d'aria di 61 m/min.

Questo porta la resistenza termica totale del TIM combinato e del dissipatore di calore a 4,55 °C/W.

Per fornire un flusso d'aria costante di 61 m/min, si potrebbe usare una ventola serie CFM-25B.

La configurazione collega il dispositivo da raffreddare a un cella di Peltier tramite un TIM. La superficie superiore del cella di Peltier è collegata a un dissipatore di calore tramite un altro TIM e l'intero gruppo esiste entro 61 m/min di aria a 50 °C.

Figura 5: Soluzione di gestione termica con una cella di Peltier, un dissipatore di calore, due strati TIM e una ventola (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Utilizzando questi dati, si può calcolare la temperatura allo stato stazionario del dispositivo. Il cella di Peltier manterrà il suo lato freddo a 40 °C; a discapito del fatto che aggiunge 3,3 W di calore al gruppo. Il dissipatore dovrà dissipare 6,3 W di calore in un ambiente con flusso d'aria a 50 °C, con una resistenza termica totale tra la cella di Peltier e l'aria ambiente di 4,55 °C/W. Moltiplicando 6,3 W per 4,55 °C/W si determina l'aumento di temperatura rispetto all'ambiente, che in questo caso è di 28,67 °C o 78,67 °C totali. Questo è ben al di sotto del requisito di 100 °C, pertanto la soluzione di gestione termica risultante soddisfa le esigenze del sistema.

Conclusione

La gestione termica è già necessaria in applicazioni consumer come la refrigerazione, HVAC, la stampa 3D e i deumidificatori. È anche usata in applicazioni scientifiche e industriali come i termociclatori per la sintesi del DNA e i laser ad alta precisione. Dissipatori di calore, ventole e celle di Peltier possono contribuire a garantire che sistemi elettronici complessi rimangano entro i loro limiti di progetto in senso termico. Same Sky offre una gamma di componenti per la gestione termica per semplificare questo processo critico di selezione.