Como otimizar o design do dissipador de calor para uma gestão térmica eficiente
A gestão térmica é importante na eletrónica. Uma forma de conseguir o controlo da temperatura é otimizar os dissipadores de calor.
Este artigo ajudá-lo-á a aprender pormenores sobre dissipadores de calor e como optimizá-los. As técnicas de conceção e o seu significado na gestão térmica também serão discutidos.
Por isso, continua a ler!
O papel dos dissipadores de calor na gestão térmica
Os dissipadores de calor são importantes nos componentes electrónicos porque evitam o sobreaquecimento e garantem o seu funcionamento sem problemas. Os dissipadores de calor dissipam o calor gerado por esses componentes para evitar quaisquer problemas.
Um dissipador de calor bem concebido é uma conduta eficaz entre o componente quente ao qual está ligado e o ar mais frio (ou, por vezes, o líquido) que flui à sua volta.
Ao manter este excesso de calor afastado, o dispositivo pode manter temperaturas de funcionamento óptimas, o que é essencial para o desempenho e a longevidade.
Por exemplo, pense no seu computador portátil ou no seu smartphone; se não estiver integrado um sistema de arrefecimento adequado, estes aparelhos sobreaqueceriam rapidamente e sofreriam uma redução do desempenho ou danos permanentes.
Uma gestão térmica eficiente depende muito da seleção do tipo correto de design de dissipador de calor com base nas propriedades do material, restrições de tamanho e condições de fluxo de ar.
Como alguém que fez uma extensa pesquisa neste campo (e trabalhou com mais do que a minha quota-parte de eletrónica), posso atestar em primeira mão a importância da otimização destes elementos para uma funcionalidade e durabilidade superiores nos sistemas electrónicos modernos.
Factores que afectam a conceção do dissipador de calor
Carga térmica ou dissipação de energia
Isto refere-se à quantidade de calor produzida por um componente, que afecta diretamente o tamanho e a forma do dissipador de calor necessário para a gestão térmica.
Propriedades do material
A escolha do material para fabricar um dissipador de calor pode afetar significativamente a sua condutividade térmica e o seu desempenho.
Resistência térmica
Isto mede a facilidade ou dificuldade com que o calor se move através de um material de um ponto para outro, afectando a conceção do dissipador de calor.
Sistema de arrefecimento
O tipo de sistema de arrefecimento utilizado (ar, líquido ou termoelétrico) pode ter impacto na conceção e no desempenho de um dissipador de calor.
Arranjo
A colocação e a orientação dos componentes numa placa de circuito impresso (PCB) podem influenciar a eficácia do dissipador de calor.
Otimização do tamanho e da forma
O tamanho e a forma de um dissipador de calor devem ser optimizados com base no espaço disponível e nos requisitos de fluxo de ar para um desempenho de arrefecimento eficiente.
Direção do fluxo de ar
A forma como o ar flui sobre um dissipador de calor afecta a sua capacidade de dissipar o calor de forma eficiente.
Geração de calor transiente
A taxa a que as alterações de temperatura ocorrem num sistema devido a efeitos transitórios deve ser considerada ao conceber um dissipador de calor.
MOSFETs/IGBTs
Estes componentes electrónicos de potência têm caraterísticas térmicas diferentes que exigem uma consideração específica ao conceber os respectivos dissipadores de calor.
Diferentes tipos de dissipadores de calor
Dissipadores de calor com alhetas
Estas alhetas aumentam a área de superfície do dissipador de calor, permitindo uma melhor dissipação do calor.
Dissipadores de calor extrudidos
Fabricados em alumínio, podem ser facilmente moldados em diferentes designs para se adaptarem a aplicações específicas.
Dissipadores de calor com aletas coladas
Semelhante aos dissipadores de calor com alhetas, mas com alhetas ligadas a uma placa de base para melhor estabilidade e desempenho.
Dissipadores de calor com aletas empilhadas
Múltiplas camadas de alhetas empilhadas umas sobre as outras para aumentar a área de superfície e melhorar a eficiência do arrefecimento.
Dissipadores de calor de pinos
Pinos longos de metal que sobressaem de uma placa de base, proporcionando um arrefecimento eficiente mesmo em espaços apertados.
Dissipadores de calor com aletas dobradas
Pequenas folhas de metal que são dobradas num padrão em ziguezague, criando uma grande área de superfície para dissipação de calor.
Dissipadores de calor arrefecidos por ventoinha
Incorporar uma ventoinha no design para aumentar o fluxo de ar e melhorar o desempenho de arrefecimento.
Técnicas para otimizar o design do dissipador de calor
Seleção de materiais para dissipadores de calor
Optar por alumínio ou cobre com base no custo, na condutividade térmica e na facilidade de maquinagem, ou considerar os compósitos de diamante para aplicações a alta temperatura.
Tamanho e forma do dissipador de calor
Aumentar a área de superfície através da modelação e adição de aletas para uma melhor dissipação de calor sem aumentar o volume.
Importância da densidade e do espaçamento das alhetas
Optimize estes parâmetros para equilibrar a resistência do fluxo de ar e a transferência de calor eficaz para um arrefecimento eficiente.
Consideração do fluxo de ar para uma refrigeração eficiente
Conceba uma ventilação adequada e escolha formas de aletas e densidades de espaçamento adequadas para otimizar o fluxo de ar e reduzir a queda de pressão.
Utilização de materiais de interface térmica
Aplique TIM, como massa térmica, fitas, adesivos ou PCMs para melhorar a área de contacto e aumentar a transferência de calor, mas tenha cuidado para não aplicar em excesso, o que pode reduzir a eficiência.
Erros comuns a evitar na conceção de dissipadores de calor
Ignorar a resistência térmica
A resistência térmica é uma medida da resistência de um material à transferência de calor. Ao projetar um dissipador de calor, é essencial escolher materiais com baixa resistência térmica para que possa ocorrer a máxima transferência de calor.
Por outro lado, uma má escolha de materiais com elevada resistência térmica resultará numa eficiência de arrefecimento reduzida e num maior risco de falha do componente devido a sobreaquecimento.
Importância das superfícies de montagem
A superfície na qual o dissipador de calor será instalado desempenha um papel significativo no seu desempenho térmico. Por conseguinte, deve ser plana, limpa e ter a pressão adequada aplicada para garantir um bom contacto entre o dissipador de calor e o componente.
A montagem incorrecta dos dissipadores de calor pode conduzir a um arrefecimento inadequado e causar danos em componentes electrónicos sensíveis, como MOSFETs ou IGBTs.
Ao conceber a superfície de instalação de um dissipador de calor, certifique-se de que cumpre todos os requisitos e normas de isolamento elétrico, tais como a garantia de que não existem materiais condutores próximos que possam tocar em qualquer parte do módulo ou componente durante o funcionamento.
Considerar os factores ambientais
As localizações a grande altitude podem exigir dissipadores de calor com áreas de superfície maiores para compensar a menor densidade do ar e a eficiência de arrefecimento reduzida.
Também seria melhor considerar os potenciais contaminantes que se poderiam acumular no seu dissipador de calor ao longo do tempo.
Por exemplo, poeira, sujidade ou mesmo pequenos detritos de fontes próximas podem afetar negativamente a condutividade térmica de um dissipador de calor, causando uma redução na sua capacidade de transferir eficazmente o excesso de calor dos componentes eléctricos.
Mas, mais uma vez, isto causaria uma diminuição inevitável do desempenho se não fosse objeto de cuidados regulares.
Conclusão e melhores práticas para uma conceção eficiente do dissipador de calor
Em conclusão, a otimização da conceção do dissipador de calor é essencial para uma gestão térmica eficiente da eletrónica de potência. Selecione o material adequado, o tamanho, a forma, a densidade e o espaçamento das alhetas, os materiais da interface térmica e considere o fluxo de ar para arrefecimento.
É também essencial evitar erros comuns na conceção de dissipadores de calor, como ignorar a resistência térmica ou negligenciar as superfícies de montagem.
Seguir as melhores práticas e diretrizes para conceber um sistema de dissipador de calor que tenha em conta a geração de calor transitório dos MOSFETs ou IGBTs, melhorando simultaneamente a eficiência através da convecção forçada.
Por fim, lembre-se sempre que calcular com precisão os métodos de controlo da temperatura utilizando ferramentas como calculadoras ou simulações pode ajudá-lo a obter um desempenho ótimo com custos minimizados.
No entanto, uma otimização global bem sucedida dependerá da avaliação constante das suas soluções de arrefecimento com dados de alta qualidade sobre vários parâmetros, como o isolamento térmico ou as camadas limite, que são essenciais para fornecer uma solução robusta para qualquer aplicação.
A consulta de especialistas como a DEK também pode fornecer informações valiosas sobre os designs de dissipadores de calor para uma gestão térmica eficiente. Contactar-nos agora!
