Johdatus lämmönhallintaan

Elektroniikkajärjestelmät ovat yhä tiheämpiä ja kuumempia, mikä tarkoittaa, että monet niistä vaativat jonkinlaisen menetelmän lämmönhallintaan. Vaikka jokaiseen laitteeseen ei ole välttämätöntä kehittää lämmönhallintaratkaisua, perustason ymmärrys siitä, miten lämpö syntyy, siirtyy ja poistuu, on olennaisen tärkeää. Tällä voidaan välttää tärkeiden komponenttien vaurioituminen kohonneiden lämpötilojen vuoksi. Lämmönhallinta on otettava huomioon jo suunnittelun alkuvaiheessa eikä vasta hätäratkaisuna laitteen ollessa muutoin valmis.

Lämmönhallinnan perusteet

Samalla kun elektroniikkajärjestelmiin kohdistuu yhä enemmän vaatimuksia, teoria sanoo, että on olemassa kolme tapaa siirtää lämpöä ja jäähdyttää komponentteja: johtuminen, konvektio ja säteily.

Johtuminen on kenties tehokkain energiansiirtomenetelmä. Kun kaksi objektia ovat fyysisessä kontaktissa keskenään, viileämpi kohde vetää luonnollisesti energiaa pois kuumemmasta kohteesta. Yleisesti ottaen tämä menetelmä siirtää eniten energiaa pinta-alaa kohden.

Kuva 1: Johtuminen käytännössä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Toinen tapa, konvektio, levittää lämpöenergiaa ilman liikkeeseen. Kun viileämpi ilma kulkee kuumemman kohteen ohi, se imee lämpöä kohteesta ja siirtää sitä pois kulkiessaan laitteen läpi. Tämä menetelmä voidaan toteuttaa luonnollisella ilman konvektiolla tai koneistetulla ilman konvektiolla puhaltimen avulla.

Kuva 2: Konvektio käytännössä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kolmas menetelmä, säteily, on energian emissiota sähkömagneettisena aaltona. Tämä menetelmä on muihin verrattuna melko tehoton ja jätetään huomiotta useimmissa lämpölaskelmissa, koska sitä sovelletaan yleensä vain tyhjiösovelluksiin, joissa johtumista ja konvektiota ei voida käyttää. Säteily on periaatteessa lämmön siirtymistä sähkömagneettisten aaltojen välityksellä, jotka syntyvät kuumien hiukkasten värähdellessä.

Kuva 3: Säteily käytännössä. (Kuvan lähde: Same Sky)

On tärkeää mainita myös lämpöresistanssi (lämpöimpedanssi), vaikka se ei kuulukaan edellä esitettyihin kolmeen termiseen peruskäsitteeseen. Lämpöresistanssi määrittelee kohteiden välisen lämmönsiirron tehokkuuden, ja sitä käytetään laajalti lämmönhallintaratkaisujen suunnittelussa. Yksinkertaisesti sanottuna, mitä pienempi lämpöimpedanssi on, sitä paremmin energia siirtyy. Lämpöimpedanssin ja ympäristölämpötilan avulla voidaan laskea tarkasti, kuinka paljon tehoa voidaan dissipoida ennen annetun lämpötilan saavuttamista.

Lämmönhallinnan komponentit

Elektroniikkajärjestelmien jäähdyttämiseen on kolme suosittua lähestymistapaa: jäähdytyslevyt, tuulettimet ja Peltier-moduulit. Kutakin niistä voidaan käyttää yksinään, mutta yhdessä ne toimivat tehokkaammin.

Jäähdytyslevyjä on saatavana eri muotoisina ja eri kokoisina. Niitä käytetään parantamaan konvektiojäähdytyksen tehokkuutta niin että ne pienentävät lämpöimpedanssia niiden laitteiden, joihin ne on kiinnitetty, ja jäähdytysaineen, yleensä ilman, välillä. Ne aikaansaavat tämän lisäämällä konvektiopinta-alaa, ja ne on valmistettu materiaalista, jonka lämpöimpedanssi on pienempi kuin tyypillisillä puolijohteilla. Jäähdytyslevyt ovat edullisia eivätkä ne juuri koskaan vikaannu tai kulu, mutta ne lisäävät yleensä jäähdytettävien elektroniikkajärjestelmien kokoa. Passiivisina komponentteina jäähdytyslevyt yhdistetään usein tuulettimiin, jotta haihtuva lämpöenergia voidaan siirtää tehokkaammin pois järjestelmästä. Tuulettimet tai puhaltimet luovat jäähdytyselementin yli raikkaan ja viileän tasaisen ilmavirran, joka ylläpitää sen ja jäähdytysilman välistä lämpötilaeroa ja varmistaa näin lämpöenergian jatkuvan tehokkaan siirron.

Tuulettimia ja puhaltimia on saatavana erimuotoisina ja -kokoisina sekä monina eri tehovaihtoehtoina. Tärkein ominaisuus on niiden tuottama ilmavirta, joka mitataan yleensä kuutiojalkoina minuutissa (CFM). Joissakin tuulettimissa ja puhaltimissa on ohjaimet, jotta niiden nopeus voidaan säätää kulloisenkin jäähdytystarpeen mukaan osana takaisinkytkentään perustuvaa ohjausjärjestelmää. Tuulettimet parantavat jäähdytystä, mutta suunnittelijoiden on otettava huomioon se, että ne vaativat virtaa ja joskus myös ohjauspiirin. Toisin kuin jäähdytyslevyt, tuulettimet voivat myös olla äänekkäitä. Ne myös sisältävät liikkuvia osia, jolloin ne vikaantuvat helpommin.

Peltier-laitteet ovat puolijohdekomponentteja, jotka käyttävät Peltierin ilmiötä lämmön siirtoon moduulin yhdeltä puolelta toiselle puolelle. Peltier-laitteet tarvitsevat lämpöenergian siirtoon energiaa, mikä itse asiassa lisää lämpöä järjestelmään, joten niitä kannattaa käyttää yhdessä jäähdytyslevyjen ja tuulettimien kanssa. Peltier-moduuleilla voidaan kuitenkin saavuttaa tarkka lämpötilansäätö ja jäähdyttää laitteita ympäristön lämpötilan alapuolelle. Jäähdytyslevyjen tapaan niissä ei ole liikkuvia osia, joten ne ovat sinänsä joustavia ja kestäviä, mutta niitäkin voidaan joutua täydentämään tuulettimilla, jäähdytyslevyillä ja ohjauspiireillä, mikä lisää kustannuksia ja kompleksisuutta. Näistä syistä Peltier-moduulien käyttö rajoittuu usein kaikkein vaativimpiin sovelluksiin, kuten lämpöenergian poistamiseen tiheään pakattujen elektroniikkajärjestelmien ytimestä.

Lämpötilavaatimusten laskeminen

Olivatpa lopulliset suunnitteluvaatimukset millaisia tahansa, elektroniikkajärjestelmien tehokkaan jäähdytysratkaisun suunnitteluun on olemassa vakiintuneita lähestymistapoja. Seuraavassa esitetään hypoteettinen ongelma ja ratkaisu, joiden avulla voidaan havainnollistaa, miten insinööri voi lähestyä integroidun lämmönhallintaratkaisun suunnittelua:

Tässä esimerkissä käytetään 10 mm x 15 mm:n kotelossa olevaa laitetta, joka tuottaa 3,3 W lämpöä ollessaan vakaassa tilassa. Laitteen käyttöympäristön lämpötila on 50 °C, ja ihanteellinen käyttölämpötila on 40 °C. Mikään järjestelmän osa ei saa ylittää lämpötilaa 100 °C.

Kuva 4: CP2088-219-piirin teknisistä tiedoista löytyvä Peltier-moduulin suorituskykykaavio (Kuvalähde: Same Sky)

Nämä spesifikaatiot tarkoittavat, että laitteen lämpötilan laskemiseen ympäristön lämpötilan alapuolelle tarvitaan Peltier-moduuli. Same Sky myy Peltier-mikromoduulia CP2088-219, joka voi poistaa 3,3 W lämpöenergiaa ja laskea laitteen lämpötilan 10 °C ympäristön lämpötilan alapuolelle. Peltier-moduuli kiinnitetään laitteeseen lämpöä johtavalla liitäntämateriaalilla (TIM) SF600G, joka laskee laitteen ja jäähdyttimen välistä lämpöimpedanssia. CP2088-219-piirin tekniset tiedot (kuva 4) osoittavat, että Peltier-moduuli tarvitsee 1,2 ampeeria 2,5 V:n jännitteellä, mikä tarkoittaa, että sen käyttö lisää järjestelmän lämpöenergiaa 3 W.

Yhteensä 6,3 W:n lämpöenergian poistamiseksi Peltier-moduulista sen toiselle puolelle kiinnitetään jäähdytyslevy (HSS-B20-NP-12), jossa käytetään liitäntänä jälleen SF600G-TIM-materiaalia. TIM-liitäntämateriaalin pinta-ala on 8,8 mm x 8,8 mm, ja sen lämpöresistanssi on hieman alle 1,08 °C/W.

Jäähdytyslevyn lämpöresistanssi on 3,47 °C/W, jos oletetaan, että sen ylitse puhaltava ilmavirta on 200 lineaarista jalkaa minuutissa (LFM).

TIM-liitäntämateriaalin ja jäähdytyslevyn yhteenlaskettu lämpöresistanssi on siis 4,55 °C/W.

Tasainen 200 LFM:n ilmavirta voitaisiin tuottaa CFM-25B-sarjan tuulettimella.

Jäähdytettävä laite liitetään kokoonpanossa Peltier-moduuliin TIM-liitäntämateriaalin avulla. Peltier-moduulin yläpinta liitetään jäähdytyslevyyn TIM-materiaalin avulla. Ilmavirta koko kokoonpanossa on 200 LFM lämpötilan ollessa 50 °C.

Kuva 5: Lämmönhallintaratkaisu, jossa käytetään Peltier-laitetta, jäähdytyslevyä, kahta TIM-kerrosta ja tuuletinta (kuvan lähde: Same Sky)

Näiden tietojen perusteella voidaan laskea laitteen lämpötila vakaassa tilassa. Peltier-moduuli pitää viileän puolen 40 °C:ssa – toisaalta se lisää kokoonpanon lämpöä 3,3 W. Jäähdytyslevyn on haihdutettava 6,3 W lämpöä 50 °C:n ilmavirtaan, kun taas Peltier-moduulin ja ympäröivän ilman välinen lämpöresistanssi on yhteensä 4,55 °C/W. Kertolasku 6,3 W x 4,55 °C/W ilmaisee lämpötilan nousun ympäristön lämpötilaan verrattuna, joka on tässä tapauksessa 28,67 °C tai yhteensä 78,67 °C. Tämä alittaa selvästi vaatimuksen alle 100 °C, ja näin saadaan järjestelmän tarpeet täyttävä lämmönhallintaratkaisu.

Yhteenveto

Lämmönhallinta on jo nyt välttämätöntä sellaisissa kuluttajasovelluksissa kuten jääkaapit, LVI-tekniikka, 3D-tulostus ja ilmankuivaimet. Sitä käytetään myös tieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa, kuten DNA-synteesiin käytettävissä termosyklereissä ja huipputarkoissa lasereissa. Jäähdytyslevyjen, tuulettimien ja Peltier-moduulien avulla voidaan varmistaa, että kompleksiset elektroniikkajärjestelmät pysyvät niille suunniteltujen lämpötilarajojen puitteissa. Same Sky tarjoaa valikoiman lämmönhallintakomponentteja, jotka helpottavat tätä tärkeää valintaprosessia.