Bốn lầm tưởng lớn nhất về quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử

Khi các khả năng nhờ tiến bộ công nghệ mang lại cho chúng ta ngày càng lớn, các thiết bị điện tử của chúng ta tiếp tục thu nhỏ về kích thước. Các yêu cầu về hiệu suất và chức năng tăng lên trong một không gian nhỏ hơn tạo ra nhiều nhiệt không mong muốn hơn trong vỏ của thiết bị điện tử. Hiện nay, hơn bao giờ hết, các kỹ sư đang phải đối mặt với nhu cầu cấp thiết là sớm phát triển các giải pháp quản lý nhiệt hiệu quả trong quá trình thiết kế.

Làm mát chủ động bo mạch chủ Anet A8

Quản lý nhiệt cho Điện tử là gì?

Có nhiều tranh luận về các chiến lược tốt nhất để quản lý điều kiện nhiệt của thiết bị điện tử nhưng câu hỏi thường bị bỏ qua nhất là: Tại sao thiết bị điện tử cần làm mát ngay từ đầu? Định luật thứ hai của nhiệt động lực học quy định rằng việc sử dụng năng lượng dẫn đến nhiệt thải.

Trong các thiết bị điện tử, dòng điện điều khiển làm cho các bóng bán dẫn bật và tắt hoặc khuếch đại tín hiệu điện tử - chạy các chương trình. Các bộ xử lý hiện đại có thể chứa hàng triệu bóng bán dẫn, có nghĩa là dòng điện cần thêm để cung cấp năng lượng cho các bóng bán dẫn này tạo ra thêm nhiệt.

Hầu hết các mạch điện tử cũng chứa các điện trở có tác dụng điều khiển dòng điện chạy qua các thành phần nhất định. Năng lượng bị cản trở do các bộ phận này được chuyển hóa thành nhiệt và bổ sung vào nhiệt có trong vỏ bọc.

Quá nhiệt trong một thiết bị điện tử, tệ nhất có thể dẫn đến việc các linh kiện bị nóng chảy.Tuy nhiên, thông thường, các kỹ sư điện không thể nhìn thấy hư hỏng hoặc phá hủy ngay lập tức mà thay vào đó, các sản phẩm bị xuống cấp theo thời gian. Đây là lý do tại sao việc tính toán các giải pháp quản lý nhiệt hiệu quả, trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế, là rất quan trọng đối với hiệu suất.

Ví dụ, trong các chip LED, chỉ cần mát hơn một vài độ có thể kéo dài tuổi thọ sản phẩm hàng nghìn giờ. Với việc quản lý nhiệt đầy đủ trở thành một vấn đề trọng tâm trong quá trình phát triển sản phẩm, điều quan trọng là phải xem xét lại những quan niệm sai lầm vẫn còn tồn tại từ các thời đại trước đây về thiết kế điện tử.

Đây là 4 lầm tưởng lớn nhất mà chúng ta thấy trong lĩnh vực làm mát điện tử ngày nay và cách các kỹ sư có thể chống lại những sai lầm này bằng các công cụ tốt nhất cho công việc.

Lầm tưởng thứ nhất: Thêm tản nhiệt hoặc bổ sung quạt có thể khắc phục mọi vấn đề

Khi nhiệt cần được tản ra hoặc di chuyển khỏi các thành phần điện tử nhạy cảm, vật liệu giao diện nhiệt được sử dụng để dẫn nhiệt năng đến các thành phần như tản nhiệt. Tản nhiệt hoạt động bằng cách tản nhiệt ra không khí xung quanh và quạt làm tăng luồng không khí để hỗ trợ cơ chế tản nhiệt này, vì vậy người ta có thể tin rằng chỉ cần thêm nhiều hơn sẽ đồng nghĩa với việc cải thiện quản lý nhiệt.

Tuy nhiên, các kỹ sư mà thiết kế ra các thiết bị mà ngày càng nhỏ hơn và thông minh hiểu rằng luôn có sự đánh đổi giữa không gian, chi phí và năng lượng tiêu thụ. Bằng cách lắp đặt thêm một bộ phận, không gian trên bảng mạch sẽ bị chiếm dụng, nhu cầu năng lượng tăng lên và chi phí sản xuất tổng thể tăng lên. Với việc lắp đặt thêm các bộ phận vào một mạch, khả năng hỏng hóc cũng tăng lên.

Những cân nhắc này cho thấy câu trả lời cho việc quản lý nhiệt thông minh hơn, tốt hơn và tiết kiệm chi phí hơn không nằm ở các bộ phận bổ sung mà nằm ở việc tối ưu hóa thiết kế ở giai đoạn đầu. Mô phỏng là một công cụ chính xác cho phép các nhóm thiết kế xác định các vấn đề trước khi chịu chi phí liên quan đến việc tạo mẫu vật lý truyền thống.

Làm mát bằng vỏ với các hình dạng tản nhiệt khác nhau

Lầm tưởng thứ hai: Các công cụ quản lý nhiệt vẫn chưa phát triển

Như đã đề cập trước đây, các quy tắc quy định nhu cầu làm mát thiết bị điện tử là các quy luật phổ biến đã được công nhận trong nhiều thế kỷ. Và, tương tự, các vấn đề toán học được tạo ra bởi nhiệt thải có thể được giải bằng các phương trình đã tồn tại. Nhưng sẽ không chính xác khi tin rằng vì các lý thuyết toán học không thay đổi, các công cụ được sử dụng để thiết kế nhiệt cũng vậy.

Ví dụ,  tính toán động lực học chất lưu có thể được sử dụng để mô phỏng giai đoạn đầu của việc quản lý nhiệt trong điện tử. Loại mô phỏng này sử dụng phương trình Navier-Stokes được phát triển lần đầu tiên vào năm 1821 và đã được sử dụng kể từ khi phần mềm CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

nhiệt đầu tiên được phát hành vào những năm 1990.

Mặc dù vậy, các công cụ hiện đại cho phép các kỹ sư thỏa sức mô phỏng trong quá trình thiết kế của họ mà không cần phải hiểu các phương trình toán học phức tạp một cách chi tiết. Việc thiết lập mô phỏng không còn cần đến các phương trình phức tạp cho tất cả các biến vật lý và các biến đổi lưới tốn công sức.

Phần mềm CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

ngày nay cho phép các kỹ sư định hướng mô phỏng của họ xung quanh các vấn đề vật lý, thực tế như các biên mở cho đối lưu tự nhiên được cung cấp bởi các giá trị mặc định thông minh. Và, các công cụ được sử dụng trong thiết kế quản lý nhiệt đã phát triển bằng cách liên tục cập nhật khả năng của bộ giải của chúng, nâng cao khả năng tính toán song song, cung cấp cho các kỹ sư kết quả chính xác hơn, nhanh hơn.

Lầm tưởng thứ ba: Mô phỏng chỉ dành cho chuyên gia

Rõ ràng là thiết kế quản lý nhiệt được hưởng lợi rất nhiều từ mô phỏng, tuy nhiên, nhiều người vẫn có thể tin rằng đó là một việc chỉ dành riêng cho những người được đào tạo đặc biệt về mô hình hóa và mô phỏng. Các công cụ mô phỏng trực tiếp như Ansys Discovery, giảm bớt rào cản truy cập cho các kỹ sư thiết kế, cho phép họ thực hiện các mô phỏng nhanh chóng và mạnh mẽ, độ trung thực cao ngay sau khi ý tưởng thiết kế được dựng lên, để họ có cái nhìn thấu hiểu ngay từ đầu về hiệu năng của ý tưởng thiết kế này.

Đối với các kỹ sư nhiệt, điều này có nghĩa là thử nghiệm các vị trí linh kiện khác nhau hoặc các hướng tản nhiệt và quạt và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất nhiệt. Họ cũng có thể kiểm tra nhiều biến thể của vật liệu hoặc thiết kế tản nhiệt, các quạt khác nhau, thiết kế vỏ và tối ưu hóa hành vi của dòng đối lưu.

Gói điện tử công suất cao được làm mát bằng hai quạt đẩy

Lầm tưởng thứ tư: Công cụ mô phỏng rất đắt

Các công cụ mô phỏng sử dụng điện toán đám mây loại bỏ nhiều chi phí liên quan đến mô phỏng truyền thống. Chúng không chỉ không yêu cầu cài đặt phần cứng hoặc không gian cho một máy trạm tại chỗ, mà chúng còn có khả năng nâng cấp mở rộng; người dùng chỉ trả tiền cho những gì họ sử dụng.

Tích hợp mô phỏng trên điện toán đám mây vào thiết kế quản lý nhiệt cũng có tiềm năng giảm chi phí lớn trong quá trình phát triển sản phẩm. Sản phẩm càng đi đến phiên bản cuối cùng thì các sửa đổi càng tốn kém. Với các công cụ mô phỏng, các nhà thiết kế có thể xác định một vấn đề trước khi chi tiền để sản xuất các nguyên mẫu vật lý.

Đây là lý do tại sao doanh nghiệp sử dụng Ansys Cloud để rút ngắn vòng đời thiết kế và nguyên mẫu của các sản phẩm của họ. Ngoài việc giảm thời gian đưa ra thị trường, mô phỏng còn có thể giảm thiểu chi phí không lường trước được.

Xua tan những lầm tưởng về làm mát điện tử có thể mở ra thế giới mô phỏng cho các kỹ sư và giúp họ phân tích quản lý nhiệt và tối ưu hóa thiết kế để đạt được kết quả tốt nhất và các sản phẩm được cải tiến.