Soluzioni per la gestione termica delle schede embedded

L'aumento dell'elaborazione edge, il miglioramento delle prestazioni e la miniaturizzazione delle piattaforme embedded hanno portato a un aumento del consumo energetico e della generazione di calore, creando problemi termici. Lo stress termico può deteriorare significativamente le prestazioni dei sistemi embedded e persino causare guasti all'intero sistema. L'esposizione prolungata al calore eccessivo riduce anche la durata prevista dei componenti elettronici.

Capire a fondo le tecniche di gestione termica è fondamentale per mantenere un dispositivo in condizioni operative ottimali. I progressi del settore dell'elettronica hanno determinato la necessità di innovative tecnologie di gestione termica per migliorare l'affidabilità e le prestazioni del sistema. Secondo Market Research Future, il mercato globale della gestione termica dovrebbe raggiungere i 20,3 miliardi di dollari entro il 2030, con un tasso di crescita dell'8% tra il 2022 e il 2030.

Gli accessori termici sono fondamentali per diversi prodotti elettronici, non solo per gli FPGA, a causa del calore generato durante il funzionamento. Una corretta gestione termica è essenziale per assicurare le prestazioni, l'affidabilità e la longevità di questi dispositivi. Ecco un'indicazione sul perché gli accessori termici sono importanti per molti prodotti:

1. Microprocessori e CPU:

• Generazione di calore: le CPU, soprattutto nei computer e nei server ad alte prestazioni, generano parecchio calore a causa delle attività di calcolo intensive.
• Accessori termici: dissipatori, paste termiche e ventole di raffreddamento sono fondamentali per dissipare il calore, evitare il throttling termico e garantire prestazioni stabili.

2. Unità di elaborazione grafica (GPU):

• Elevato consumo energetico: le GPU, soprattutto per il gaming, l'intelligenza artificiale e l'elaborazione dei dati, consumano molta energia e producono una notevole quantità di calore.
• Gestione termica: le soluzioni di raffreddamento, come dissipatori di grandi dimensioni, ventole e talvolta raffreddamento a liquido, sono necessarie per mantenere le temperature ottimali, evitare il surriscaldamento e sostenere prestazioni elevate.

3. Unità di alimentazione (PSU):

• Dissipazione del calore: gli alimentatori convertono la corrente alternata in corrente continua, il che comporta una notevole perdita di energia sotto forma di calore.
• Soluzioni di raffreddamento: il raffreddamento attivo con ventole e quello passivo con dissipatori sono essenziali per mantenere l'efficienza e la longevità degli alimentatori.

4. Moduli di memoria (RAM, DRAM):

• Stabilità operativa: i moduli di memoria ad alta velocità possono generare calore che, se non controllato, può portare al danneggiamento dei dati o all'instabilità del sistema.
• Accessori termici: i diffusori di calore e le ventole di raffreddamento sono utilizzati per dissipare il calore e mantenere l'integrità e la velocità dei dati.

5. Apparecchiature di rete (router, switch):

• Funzionamento continuo: le apparecchiature di rete funzionano spesso 24 ore su 24, 7 giorni su 7, con conseguente generazione continua di calore.
• Requisiti di raffreddamento: dissipatori, ventole e talvolta il raffreddamento ambientale (come l'aria condizionata nelle sale dei server) sono necessari per garantire prestazioni costanti ed evitare guasti.

6. Sistemi embedded:

• Sfide poste dalla progettazione compatta: i sistemi embedded operano spesso in ambienti con vincoli di spazio dove la dissipazione del calore è difficile.
• Soluzioni termiche: per gestire il calore in questi sistemi compatti si utilizzano dissipatori di calore personalizzati, piazzole termiche e involucri specializzati con raffreddamento, che garantiscono l'affidabilità nelle applicazioni industriali e automotive.

7. Dispositivi mobili (smartphone, tablet):

• Vincoli termici: i dispositivi mobili sono compatti e hanno uno spazio limitato per il raffreddamento, ma utilizzano processori e batterie ad alte prestazioni che generano calore.
• Raffreddamento innovativo: per gestire il calore senza aumentare le dimensioni del dispositivo si utilizzano tecniche come il throttling termico, i diffusori di calore in grafite e i materiali avanzati.

8. Batterie e accumulatori di energia:

• Sicurezza e longevità: le batterie, soprattutto nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo ad alta capacità, generano calore durante la carica e la scarica.
• Gestione termica: i sistemi di raffreddamento, tra cui il raffreddamento a liquido, i sistemi di gestione termica e i materiali resistenti al calore, sono fondamentali per evitare il surriscaldamento, che può ridurre la durata della batteria o addirittura portare a situazioni pericolose.

9. Apparecchiature per telecomunicazioni:

• Carico termico continuo: le stazioni base, le antenne e le altre apparecchiature di telecomunicazione generano un calore costante durante il funzionamento.
• Necessità di raffreddamento: dissipatori, ventole e involucri climatizzati sono essenziali per l'affidabilità delle apparecchiature e la disponibilità del servizio.

10. Calcolo ad alte prestazioni (HPC):

• Produzione di calore estremo: i sistemi HPC, utilizzati nella ricerca scientifica, nell'IA e nell'analisi dei big data, comportano cluster di calcolo densi che producono molto calore.
• Raffreddamento avanzato: il raffreddamento a liquido, il raffreddamento a immersione e i sofisticati sistemi di raffreddamento ad aria sono fondamentali per gestire il calore e garantire un funzionamento ininterrotto ad alta velocità.

Gli accessori termici sono indispensabili per un'ampia gamma di prodotti elettronici, non solo per gli FPGA. Svolgono un ruolo fondamentale nella dissipazione del calore, nella prevenzione del surriscaldamento e nel garantire che i dispositivi funzionino in modo affidabile ed efficiente. Senza un'adeguata gestione termica, i prodotti elettronici possono soffrire di prestazioni ridotte, instabilità e guasti potenzialmente catastrofici. La scelta delle soluzioni termiche dipende dai requisiti specifici del prodotto, tra cui il consumo energetico, le dimensioni e l'ambiente operativo.

Tecniche di dissipazione del calore comuni nelle soluzioni embedded

Le tecniche di dissipazione del calore sono più che mai cruciali, con sistemi sempre più piccoli e potenti. I progettisti possono utilizzare diversi metodi per rimuovere il calore dai componenti e dalle PCB, con meccanismi comuni che includono:

Dissipatori di calore e ventole di raffreddamento - I dissipatori di calore sono componenti metallici termoconduttivi di grandi dimensioni, che fungono da scambiatori di calore passivi dissipando il calore nell'aria circostante per conduzione. L'aggiunta di ventole di raffreddamento ai dissipatori aiuta a eliminare il calore in modo più rapido ed efficace. Questa combinazione è uno dei metodi più comuni ed efficaci per il raffreddamento dei sistemi embedded, soprattutto in ambienti con flusso d'aria limitato.

Figura 1: Questo dissipatore con ventola di raffreddamento aiuta a dissipare il calore dal componente su cui è montato. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Integrazione dei tubi di calore - I tubi di calore sono dispositivi di raffreddamento utilizzati in applicazioni ad alta temperatura. Un tipico tubo di calore è costituito da un fluido che assorbe il calore, lo vaporizza e lo trasposta lungo il tubo. All'estremità del condensatore, il vapore si trasforma nuovamente in liquido e il ciclo si ripete. I tubi di calore sono molto efficienti e possono trasferire il calore su lunghe distanze, rendendoli ideali per i dispositivi elettronici compatti e ad alta densità.

Diffusori di calore - I diffusori di calore hanno una grande superficie piatta che di solito viene premuta direttamente contro un'altra grande superficie piatta. Consentono il trasferimento di calore da un componente più piccolo a una superficie metallica più grande. I diffusori di calore sono ideali per i dispositivi che devono resistere a urti e vibrazioni estreme o che sono alloggiati all'interno di contenitori sigillati. Sono una soluzione robusta per la gestione del calore nei sistemi embedded resistenti e sigillati.

Raffreddatori termoelettrici (TEC) - I raffreddatori termoelettrici sono ideali per i sistemi in cui la temperatura dei componenti deve essere mantenuta costante. I processori ad alta dissipazione di potenza utilizzano spesso una combinazione di TEC, raffreddamento ad aria e a liquido per superare i limiti del raffreddamento ad aria convenzionale. I TEC possono raffreddare i componenti a temperature inferiori a quella ambiente, garantendo un controllo preciso della temperatura.

Fori di via termici - I fori di via termici sono incorporati in aree piene di rame e posizionati vicino alle fonti di alimentazione. In questo metodo, il calore fluisce dai componenti all'area di rame e si dissipa attraverso l'aria dai fori di via. I fori di via termici sono spesso utilizzati nei moduli di gestione dell'alimentazione e nei componenti con piazzole termiche, migliorando la conducibilità termica della PCB.

Sistemi di raffreddamento a liquido - I liquidi possono trasferire il calore quattro volte più velocemente dell'aria, offrendo prestazioni termiche più elevate in soluzioni più piccole. Un sistema di raffreddamento a liquido comprende una piastra fredda o un involucro raffreddato che si interfaccia con la fonte di calore, una pompa o un compressore per far circolare il liquido e uno scambiatore di calore per assorbire e dissipare il calore in modo sicuro. Il raffreddamento a liquido è particolarmente efficace per le applicazioni ad alta potenza e per i gruppi elettronici ad alta densità.

Soluzioni termiche di iWave

Il team esperto di ingegneri meccanici di iWave progetta dissipatori di calore, dissipatori per ventole e involucri su misura per le specifiche caratteristiche termiche dei loro prodotti. Utilizzano software di simulazione termica per aiutare a determinare i metodi di raffreddamento più appropriati e a comprendere i parametri termici associati, migliorando in ultima analisi l'affidabilità complessiva del prodotto.

Analisi del modello di flusso di calore

Utilizzando strumenti come Ansys Icepak, gli ingegneri di iWave possono simulare i modelli di flusso di calore all'interno di un dispositivo. Questa analisi aiuta a identificare i punti caldi termici e a ottimizzare il posizionamento dei componenti di raffreddamento. Comprendendo come il calore si muove all'interno di un sistema, gli ingegneri possono progettare soluzioni di gestione termica più efficaci.

Progettazione ad hoc del dissipatore

iWave progetta dissipatori personalizzati per soddisfare le esigenze uniche di ogni progetto. Il processo prevede il calcolo dei valori teorici di dissipazione del calore in base all'area superficiale e alle proprietà del materiale. Gli ingegneri testano poi questi progetti utilizzando un software di simulazione per assicurarsi che forniscano un raffreddamento adeguato in varie condizioni operative.

Metodi di raffreddamento per dispositivi attivi

Nella fase di progettazione sono presi in considerazione anche metodi di raffreddamento attivo, come l'integrazione di TEC e ventole di raffreddamento. iWave valuta i vantaggi e i limiti di ciascun metodo, selezionando la soluzione più efficiente ed economica per ogni applicazione.

Soluzioni termiche per ogni fattore di forma

iWave offre soluzioni termiche per qualsiasi fattore di forma, compresi OSM, SMARC, Qseven e SODIMM. Queste soluzioni utilizzano la lega di alluminio AL6063 per le sue eccellenti proprietà. L'alluminio è un ottimo conduttore, non tossico, riciclabile e molto resistente, ideale per trasferire il calore dai componenti.

Grazie a soluzioni termiche interne, i progettisti di prodotti possono ridurre i costi di implementazione eliminando i ritardi di progettazione, i guasti sul campo e le iterazioni progettuali. La riduzione della quantità di calore dissipato dal dispositivo migliora l'efficienza e l'affidabilità, garantendo la longevità del prodotto.

Conclusione

La crescente complessità e densità di potenza dei sistemi embedded richiede tecniche avanzate di gestione termica. Utilizzando una varietà di metodi di dissipazione del calore, dai dissipatori e dalle ventole di raffreddamento ai sistemi di raffreddamento a liquido e ai fori di via termici, i progettisti possono garantire prestazioni e affidabilità ottimali ai loro dispositivi. Aziende come iWave forniscono soluzioni termiche specializzate e adattate alle esigenze specifiche dei loro prodotti, sfruttando strumenti di simulazione avanzati e progetti personalizzati per affrontare le sfide dell'elettronica moderna.

Per ulteriori informazioni sull'esperienza di iWave nelle soluzioni termiche, contattate l'azienda direttamente.