Podstawowe zasady zarządzania temperaturą w układach zasilaczy

Czwartek, 19 sierpnia 2021 | Technika

Jednym z najważniejszych aspektów projektowania oraz wyboru układu zasilacza jest analiza jego charakterystyk temperaturowych. W artykule przedstawiono podstawowe zasady rozchodzenia się energii cieplnej w układzie oraz jej wpływ na konstrukcję zasilaczy.

Podstawowe zasady zarządzania temperaturą w układach zasilaczy

Efektywność rozpraszania energii cieplnej ma bezpośredni wpływ na wydajność układu zasilacza. Większość elementów i obwodów elektronicznych pracuje bardziej wydajnie w niższych temperaturach, co przekłada się na lepszą sprawność urządzenia. Dobrze działający układ chłodzenia pozwala poprawić parametry pracy zasilacza, m.in. poprzez zwiększenie maksymalnego dopuszczalnego poziomu obciążenia. Lepsze chłodzenie przekłada się także na niższą awaryjność układu, przez to zaś na wydłużenie czasu życia urządzenia.

Zasilacz to urządzenie konwertujące energię elektryczną. Moc wejściowa zamieniana jest zatem na sygnał wyjściowy, zaś pewna część energii przekształcana jest przy tym w energię cieplną. Ilość mocy rozpraszanej wynika ze sprawności, stąd jednym ze sposobów zmniejszania ilości ciepła generowanego w układzie jest stosowanie takich rozwiązań układów oraz komponentów, które zapewniają jak najwyższą sprawność konwersji sygnału zasilania.

Sposoby rozpraszania energii cieplnej w układzie

Komponenty i układy elektroniczne odprowadzają energię cieplną na trzy podstawowe sposoby – poprzez promieniowanie, konwekcję oraz przewodzenie. Główną rolę w procesie odprowadzania ciepła odgrywają zjawiska konwekcji oraz przewodzenia. Tempo odprowadzania ciepła w wyniku konwekcji proporcjonalne jest do szybkości przepływu powietrza. W związku z tym urządzenia wyposażone w układy wymuszania obiegu powietrza charakteryzują się co do zasady lepszymi właściwościami termicznymi niż te korzystające jedynie z przepływu naturalnego (niewymuszonego). Niewątpliwą wadą wymuszonego obiegu powietrza (osiąganego zazwyczaj za pomocą wentylatorów) jest hałas oraz awaryjność związana z obecnością elementów mechanicznych.

Rys. 1. Ruch powietrza związany z konwekcją. Ciepłe powietrze unosi się wskutek różnicy gęstości

Przewodzenie przez ciała stałe, takie jak płytka PCB oraz obudowa urządzenia, to kolejny sposób odprowadzania energii cieplnej z układu, często uznawany jednak za mniej istotny niż konwekcja. Zarówno miedź obecna na płytce drukowanej, jak i metalowe elementy obudowy mogą utworzyć bardzo skuteczne ścieżki odprowadzania ciepła z nagrzewających się elementów.

Radiator

Radiator to pasywny element systemu chłodzenia, wykorzystujący zarówno zjawisko konwekcji, jak i przewodnictwa. Zbudowany jest zazwyczaj z metalu, w taki sposób, aby zmaksymalizować jego powierzchnię wystawioną na kontakt z powietrzem. Ciepło rozprowadzane jest poprzez przewodnictwo na całej powierzchni, która następnie oddaje je do atmosfery za pomocą zjawiska konwekcji. Duża powierzchnia wymiany znacząco usprawnia odprowadzanie ciepła.

Rys. 2. Przykładowy zasilacz chłodzony pasywnie z widoczną płytą bazową

W miejscu kontaktu elementu z radiatorem zalecane jest korzystanie z past termoprzewodzących. Jest to rodzaj plastycznej masy, charakteryzującej się wysokim przewodnictwem cieplnym. Szczelnie wypełnia wszelkie mikroszczeliny pomiędzy radiatorem a chłodzonym elementem, zmniejszając rezystancję termiczną. Przed zakupem warto zwrócić uwagę na skład chemiczny pasty. Pasta wyprodukowana na bazie miedzi nie powinna być nakładana na radiatory z aluminium, gdyż zwiększa to ryzyko korozji. Śruby oraz zaciski również poprawiają i stabilizują sposób mocowania radiatora, zwiększając tempo transferu ciepła z komponentu.

Poprawę efektywności odprowadzania ciepła z układu osiągnąć można też poprzez odpowiedni dobór materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych. W przypadku systemów niemogących korzystać z aktywnego chłodzenia (np. ze względu na zbyt wysoki poziom hałasu wentylatora) ciekawą koncepcją może być zastosowanie metalowej podstawy chłodzącej (tzw. baseplate cooling). Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 2.

Łukasz Kozieł

BLelektronik

Obliczenie wymaganej powierzchni radiatora do projektowanego urządzenia nie jest zadaniem trudnym, bo mamy gotowe kalkulatory. A jak jest z obliczaniem chłodzenia w przypadku materiałów termoprzewodzących? Jak dobrać grubość, współczynnik przewodzenia czy też powierzchnię. Czy są jakieś gotowe wzorce postępowania?

Każdy projekt jest inny, więc by dobrać właściwy materiał termoprzewodzący należy przeprowadzić test na docelowym urządzeniu. Po otrzymaniu od klienta podstawowych parametrów takich jak: grubość, izolacja elektryczna, twardość, informacji jak bardzo urządzenie się grzeje, możemy wstępnie dobrać produkt, by zawęzić obszar produktów, które mogą się sprawdzić. Istotne jest też oszacowanie powierzchni na jakie będzie zastosowana podkładka oraz siły dociskowej jej montażu. Do wstępnej selekcji wystarczy jednak określenie mocy traconej w elemencie, pola powierzchni obudowy oraz zakładanego spadku temperatury na zastosowanej podkładce. Daje to wymaganą rezystancję termiczną. Wartość tą można porównać z zamieszczoną w karcie katalogowej.

Jaką trwałość mają materiały przewodzące? Czy nadają się do aplikacji działających wiele lat?

Trwałość takich produktów jest zależna od ich jakości, nasze produkty są przetestowane w różnych warunkach więc mamy pewność co ich trwałości. Na starzenie się produktów termoprzewodzących wpływ mają różne czynniki m.in. środowisko i temperatury w jakich pracuje urządzenie. Niestety o rzeczywistej trwałości decyduje tak wiele czynników, że najlepszą gwarancję jakości daje stosowanie materiałów sprawdzonych, renomowanych producentów.

Materiały termoprzewodzące z grubsza wyglądają tak samo: pianka, pasta itp. A czy da się zweryfikować ich jakość, np. czy parametry pokrywają się z deklarowanymi, trwałość?

Istnieje wiele sposobów badania produktów termoprzewodzących, producenci w swoich badaniach korzystają również z różnych urządzeń. Dopasowanie produktu należy traktować indywidualnie, ponieważ duży wpływ na termoprzewodzenie ma m.in. docisk, więc tak ważne jest przeprowadzenie testów. Wydaje się, że wybór materiału jedynie ma podstawie danych katalogowych nie jest możliwy.

Parametry zasilacza

Jak już wspomniano, jednym z czynników mających największy wpływ na kształt systemu chłodzenia jest wartość sprawności. Przykładowo, zasilacz o sprawności 85% pobierający z sieci 300 W będzie generował 45 W ciepła, które musi następnie zostać odprowadzone przez system chłodzenia. Dla porównania, zasilacz o sprawności 90% wygeneruje 15 W ciepła mniej, co prawdopodobnie pozwoliłoby zmniejszyć wymiary systemu chłodzenia o jedną trzecią.

Rys. 3. Charakterystyka temperaturowa przykładowego zasilacza. Od pewnej wartości temperatury otoczenia maksymalny dopuszczalny poziom obciążenia układu zaczyna maleć (jest to tzw. derating)

Dobrze jest również dobrać zasilacz w taki sposób, aby nie był on zmuszony do pracy przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu urządzenie będzie w stanie poprawnie pracować w szerszym zakresie przypadków, np. w większym przedziale temperatur otoczenia lub przy częściowej awarii/ograniczeniu efektywności systemu chłodzenia.

W dokumentacji większości zasilaczy znaleźć można zależność maksymalnej dopuszczalnej wartości obciążenia od temperatury otoczenia. Przykład takiej charakterystyki przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 4. Zastosowanie aktywnego chłodzenia pozwala znacząco poprawić zakres pracy zasilacza, por. rys. 3

Wymuszony obieg powietrza zapewniany przez system aktywnego chłodzenia może mieć znaczący wpływ na funkcjonowanie układu, pozwalając na pracę przy pełnym obciążeniu w znacznie większym zakresie temperatur niż w przypadku korzystania jedynie z naturalnej konwekcji. Na rysunku 4 pokazano charakterystykę temperaturową tego samego zasilacza z rysunku 3, jednak przy zastosowaniu wymuszonego obiegu powietrza o wartości 5 l/s. Pozwala to na pracę przy pełnym obciążeniu w zakresie do 60°C, czyli o 20°C więcej niż w przypadku korzystania jedynie z naturalnej konwekcji.

Aktywne chłodzenie za pomocą wentylatora

Aby zapewnić odpowiedni poziom przepływu powietrza, rozmiar wentylatora powinien być dostosowany do powierzchni przekroju urządzenia wraz z obudową. Dla uzyskania najlepszych rezultatów przepływ powietrza powinien być skierowany wzdłuż najdłuższej osi urządzenia. Kierunek przepływu powinien być również zsynchronizowany z orientacją radiatorów. Żebra powinny być skierowane równolegle do kierunku przepływu, co pozwala na maksymalizację powierzchni wymiany ciepła oraz nie zakłóca wymiany powietrza.

Przepływ ten może być zaburzany przez różne przeszkody – obwód zasilacza składa się z wielu komponentów, zaś niektóre z nich charakteryzują się dużymi rozmiarami, w tym znaczącą wysokością. Aby uniknąć kłopotów z cofaniem się masy powietrza, otwór wyjściowy powinien być przynajmniej półtorakrotnie większy od otworu wejściowego.

W wielu przypadkach dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie wentylatora o większych rozmiarach niż minimalne wymagane, ponieważ pozwala to uzyskać taką samą wartość prędkości przepływu przy niższej prędkości obrotowej. Wolniejsza praca przekłada się zaś na mniejszy poziom generowanego hałasu, co może mieć krytyczne znaczenie w wielu aplikacjach.

Wpływ na właściwości termiczne systemu może mieć także sposób montażu zasilacza. W wyniku konwekcji ciepłe powietrze unosi się, zatem jeśli nad układem zasilacza zamontowane zostaną inne obwody, to mogą one zostać dodatkowo nagrzane. To samo negatywne zjawisko wystąpi, jeśli płytka zasilacza umieszczona zostanie w pozycji pionowej – niżej umieszczone elementy nagrzewać będą te, które znajdują się wyżej. Najlepszym i najskuteczniejszym rozwiązaniem jest w tym przypadku pozioma orientacja płytki PCB.

Podsumowanie

Istnieją różne możliwości skutecznego zarządzania temperaturą zasilaczy, zależnie od wymagań systemu oraz parametrów urządzenia. Aktywne systemy chłodzenia korzystające z wentylatorów są zazwyczaj bardziej skuteczne, mają jednak wady, które w wielu przypadkach poważnie ograniczają lub całkowicie eliminują możliwość ich implementacji. System pasywny również może skutecznie spełniać swoją funkcję, przy czym niekiedy wymagać będzie starannego doboru materiałów, podzespołów oraz rozwiązań konstrukcyjnych.

Damian Tomaszewski