Эффективные решения для теплоотвода в светодиодной светотехнике. Пять основных методов отвода тепла в среде ит Производители и фирменные устройства охлаждения
Пять основных методов отвода тепла в среде ИТ
Существует пять основных способов сбора и переноса нежелательного тепла из помещения ИТ во внешнюю среду. Один или несколько из этих методов применяются для охлаждения практически всех ответственных компьютерных залов и центров обработки данных. Каждый из методов опирается на холодильный цикл для переноса или откачки тепла из центра обработки данных или компьютерного зала во внешнюю среду. В некоторых методах компоненты холодильного цикла выносятся в отдаление от помещения ИТ, а в ряде методов добавляются дополнительные контуры (замкнутые трубопроводы) с водой или другими жидкостями, помогающие процессу охлаждения.
АРС поставляет системы всех типов в зависимости от вариантов построения серверных помещений и ЦОД, помещения ЦОД, условий внешней среды и т.д.
Ниже приведено описание используемого в данном проекте варианта построения системы кондиционирования.
Система с гликолевым охлаждением
В системах этого типа все компоненты холодильного цикла размещены в одном корпусе (как в замкнутой системе), однако громоздкий конденсаторный змеевик заменяется гораздо более компактным теплообменником, как показано на рис. 3. Теплообменник использует поток гликоля (смесь воды и этиленгликоля, аналогичная автомобильному антифризу) для сбора тепла от хладагента и его переноса из среды IT. Теплообменники и трубопроводы для гликоля всегда меньше, чем конденсаторные змеевики (в 2-компонентных системах воздушного охлаждения) и конденсаторные воздуховоды (в замкнутых системах воздушного охлаждения), потому что гликолевая смесь собирает и переносит тепло гораздо лучше, чем газ. Поток гликоля поступает по трубопроводам в установленное снаружи устройство, называемое жидкостным охладителем. Тепло отводится во внешнюю атмосферу благодаря продувке наружного воздуха с помощью вентиляторов через заполненный теплым гликолем змеевик жидкостного охладителя. Насосный блок (насос, мотор и защитный корпус) обеспечивает циркуляцию гликоля в контуре от кондиционера воздуха компьютерного зала к жидкостному охладителю и обратно.
Система с гликолевым охлаждением
Преимущества
Все компоненты холодильного цикла находятся внутри блока кондиционера воздуха компьютерного зала, который герметизируется и тестируется на заводе для достижения высочайшей надежности при таких же требованиях к площади, как для двухкомпонентной системы воздушного охлаждения.
Трубопроводы для гликоля можно прокладывать на значительно большие расстояния, чем линии хладагента (в системах воздушного охлаждения), а один жидкостный охладитель и насосный блок может обслуживать блоки кондиционеров воздуха из нескольких компьютерных залов.
В холодную погоду гликоль в жидкостном охладителе может охлаждаться настолько сильно (ниже 10°C), что его поток можно направить в обход теплообменника блока CRAC прямо в специально установленный змеевик экономайзера. В этом случае холодильный цикл отключается, а среду ИТ охлаждает воздух, проходящий через змеевик экономайзера, по которому теперь протекает холодный гликоль. Этот процесс, названный «свободным охлаждением», обеспечивает превосходное снижение эксплуатационных расходов.
Необходимость в дополнительных компонентах (насосный блок, клапаны) повышает капитальные затраты и стоимость установки по сравнению с DX-системами воздушного охлаждения.
Требуется поддерживать объем и качество гликоля в системе.
Компьютерные залы и центры обработки данных небольшого и среднего размера.
Системы с охлажденной водой
В системе с охлажденной водой компоненты холодильного цикла перенесены из систем кондиционирования воздуха компьютерного зала в устройство, называемое охладителем воды, как показано на рис. 5. Это устройство вырабатывает охлажденную воду (с температурой около 8°C), которая с помощью насоса подается по трубопроводам от охладителя в блоки обработки воздуха компьютерного зала (CRAH – computer room air handler), установленные в среде ИТ. Блоки CRAH похожи по внешнему виду на кондиционеры воздуха компьютерного зала, однако работают иначе. Они охлаждают воздух (отводят тепло) за счет продувания теплого воздуха из компьютерного зала через змеевики охлажденной воды, заполненные циркулирующей охлажденной водой. Тепло выводится из среды ИТ с потоком (уже более теплой) охлажденной воды, которая выходит из блока CRAH и возвращается в охладитель. Там удаленное из возвращающейся воды тепло обычно выводится в контур конденсаторной воды (такой же, как в кондиционерах воздуха компьютерного зала с водяным охлаждением) для переноса во внешнюю атмосферу. Системы с охлажденной водой обычно совместно используются многими блоками обработки воздуха компьютерного зала и часто применяются для охлаждения всего здания.
Система с охлажденной водой
Примечание: Водоохлаждающая машина может использовать различные типы охлаждения. В данном случае показана система в водяным охлаждением. В холодных регионах обычно используется машины с гликолевым охлаждением.
Преимущества
Блоки обработки воздуха компьютерного зала обычно дешевле, содержат меньше деталей и обладают большей мощностью теплоотвода по сравнению с кондиционерами воздуха при той же занимаемой площади.
Трубопроводы охлажденной воды легко можно прокладывать на очень большие расстояния, а одна установка охлаждения воды может обслуживать много помещений ИТ (или все здание).
Конструкция систем с охлажденной водой может обеспечивать очень высокую надежность.
Для больших установок системы с охлажденной водой обеспечивают наименьшую стоимость на единицу мощности.
Системы с охлажденной водой обычно требуют наивысших капитальных затрат для установок с мощностью электрической нагрузки ИТ ниже 100 кВт.
Как правило, блоки CRAH удаляют из воздуха больше влаги, чем блоки CRAC, что во многих климатических зонах увеличивает расходы на увлажнение помещений.
В среде ИТ появляется дополнительный источник жидкости.
В сочетании с другими системами в средних и крупных центрах обработки данных с умеренными и высокими требованиями к готовности или в качестве выделенного решения для обеспечения высокой готовности в крупных центрах обработки данных.
Распределение воздушных потоков внутри серверного помещения и возможные варианты размещения систем кондиционирования.
АРС предлагает несколько вариантов организации воздухообмена внутри серверного помещения и, как следствие, несколько вариантов расположения оборудования.
Вариант 1. Организация холодного коридора/ горячего коридора, как показано на рисунке ниже.
В данном случае кондиционеры устанавливаются с обоих концов холодного коридора и делают выброс холодного воздуха непосредственно с холодный коридор.
Преимущества
Система является довольно экономичным решением, так как не требует использования фальшпола
Система позволяет в дальнейшем обеспечить разделение горячего и холодного воздушных потоков путем установки дополнительных компонентов, обеспечивая отвод тепла в пределах 7 кВт/стойку
Не производится полного разделения горячего и холодного воздушных потоков, поэтому без дополнительных элементов способна отвести тепло в пределах 2.5 кВт/стойку
Небольшая серверная или ЦОД с невысокой плотностью мощности оборудования, однако при этом возможен рост плотности.
Вариант 2. Организация холодного коридора/ горячего коридора с помощью фальшпола, как показано на рисунке ниже.
Направление движения горячего воздуха над фальшполом
Направление движения холодного воздуха под фальшполом
Точки выхода холодного воздуха через фальшпол
В данном случае кондиционеры устанавливаются с в противоположных углах помещения (желательно для организации равномерного давления под фальшполом) и делают выброс холодного воздуха под фальшпол.
Забор горячего воздуха осуществляется в потолочной части системы кондиционирования.
Преимущества
Система обеспечивает разделение горячего и холодного воздушных потоков, поэтому способна отвести тепло в пределах 3 кВт/стойку
Требуется фальшпол
Ввиду ограничения площади отведенной для поступления холодного воздуха дальнейшее развитие серверном (увеличение тепловыделения до 5-7 кВт/стойку) невозможно.
Обслуживание кабельной системы в случае укладки ее под фальшполом или ее наращивание затруднено. В случае разборки фальшпола так же нарушается давление, по этой причине при проведении работ может возникнуть локальный перегрев оборудования и остановка процессов.
Небольшая серверная или ЦОД с невысокой плотностью мощности оборудования.
Вариант 3. Организация холодного коридора/ горячего коридора с установкой кондиционера в один ряд с монтажными шкафами для оборудования, как показано на рисунке ниже.
В данном случае кондиционеры устанавливаются с один ряд с оборудованием делают забор горячего воздуха непосредственно из горячего коридора и выброс холодного воздуха непосредственно в холодный коридор.
Преимущества
Система обеспечивает разделение горячего и холодного воздушных потоков, способна отвести тепло в пределах 7 кВт/стойку
Не требуется фальшпол
Большая стоимость по сравнению с традиционными решениями
Средние и большие ЦОД с высокой плотностью мощности оборудования.
Подробности
Технология отведения тепла от оборудования
В производственных процессах участвуют различные виды оборудования: это и обрабатывающие станки, и аппараты высокого давления, и ёмкости с химическими растворами, и нагревательные баки. Все они способны нагреваться, что негативно влияет и на обрабатываемые детали, и на рабочие органы, и на технологический процесс в целом. Но как отвести тепло от бака, который сам обеспечивает нагрев определённых систем? Или как отвести тепло от ёмкости, наполненной горячим продуктом? А также как отвести тепло от станка, в котором инструмент находится в постоянном движении?
И охлаждение станков, и различных резервуаров выполняется при помощи специального теплообменного оборудования, которое сегодня активно применяется и в сельском хозяйстве, и в промышленности, и в быту. Такие аппараты нагревают или охлаждают воду, которая обеспечивает нагрев или охлаждение другой технической воды и растворов, циркулирует в замкнутых контурах горячего водоснабжения и отопительных системах, в системах вентиляции и кондиционирования, в испарителях и конденсаторах, в бассейнах и других производственных и бытовых системах.
Вопрос о том, как отвести тепло от воды, разрешается путём применения чиллеров – специальных холодильных установок той или иной мощности и холодопроизводительности. Посредством компрессорного агрегата и испарителя в этой установке осуществляется охлаждение фреона, который через теплообменник охлаждает воду в отдельном резервуаре. Отсюда уже теплоноситель устремляется к охлаждаемому объекту, будь то ёмкость, ванна с раствором, нагревательный бак или обрабатывающий станок. Но для контроля температуры теплоносителя в конструкции чиллера предусмотрен и нагреватель воды, с помощью которого исключается переохлаждение жидкости, способное внести дисбаланс в производственный цикл. Для охлаждения резервуаров теплообменник обустраивают как внутри ёмкостей, так и вокруг них, в зависимости от того, открытая ли это ванна или закрытый бак. Охлаждение станка подразумевает как охлаждение движущихся частей, так и охлаждение системы смазки. В первом случае холодная вода может подаваться открыто прямо в зону резки или шлифовки. Во втором случае через систему смазки пропускают змеевик с охлаждённым теплоносителем нужной температуры.
Компания Питер Холод уже давно работает в области теплообменного оборудования самого разного назначения. Мы реализуем современные качественные установки, отлично справляющиеся с поставленными задачами нагрева и охлаждения, производим установку их на объекте с полным монтажом сопутствующих трубопроводов, выполняем запуск, техническое обслуживание, инструктируем персонал по вопросам наладки и контроля.
Полезные советы
Перед тем, как начать узнавать все секреты сохранения тепла в доме, стоит обратить внимание на то, как ускользает тепло из нашего дома (процент от всех потерь в обычном панельном доме):
* Стены и двери - 42%
* Вентиляция - 30%
* Окна - 16%
* Подвалы - 5%
* Крыша - 7%
Как сохранить тепло в доме
1. Утром откройте занавеси и/или жалюзи, чтобы солнечный свет попадал в дом. Стекло в окне позволяет свету проходить внутрь, но не выходить обратно. В доме свет накапливается, отталкиваясь от стен и мебели, и в итоге превращается в тепло.
2. Ночью используйте толстые (плотные) занавеси, чтобы не позволять теплу ускользать через окна. Без солнечного света окна становятся вашим врагом. Создайте толстые обои, чтобы не позволить теплу уйти.
* Можно использовать просто толстое одеяло, к которому прикрепляется стержень или палка для сохранения формы.
Измерьте свое окно и найдите что-то твердое, например жесткий стержень или крепкую палку, на которую далее вы сможете наматывать занавес. Можно также использовать прежний стержень от бывшей занавески (если он у вас есть).
* Можно также использовать два куска плотной ткани. Для этого есть инструкция:
2.1 Приготовьте два куска плотной ткани. Положите оба куска ткани один на другой рисунком друг к другу. Закрепите все булавками и обрежьте так, чтобы в итоге получить размер на несколько сантиметров больше, чем размеры окна.
2.2 С трех сторон прошейте все слои. На последней 4-й стороне прошейте треть всей длины с каждого конца (получится, что посередине останется одна не прошитая треть). Используйте не прошитую часть, чтобы вывернуть ткани наизнанку.
2.3 Вставьте в отверстие стержень и закрепите его строчкой, а также прошейте ткани до конца.
* Если шторы длинные и закрывают батареи, то к нижнему краю шторы прикрепите петли, а посередине шторы пришейте пуговицы. Так вы сможете нанизать петли на пуговицы, поднимая шторы над батареей.
3. Загерметизируйте старые оконные рамы, чтобы избежать утечки тепла. Вам не придется тратить много - недорогой герметик можно найти в любом строительном магазине. Также у вас это займет совсем немного времени.
4. Если у вас осталась пузырчатая пленка от товаров, которые в нее оборачивали, отрежьте нужный вам размер. Стоит отметить, что такую пленку можно купить отдельно. Разбрызгайте немного воды на окно и прислоните пленку пузырями к окну – вода будет служить клеем для пленки, и пятен потом не останется. Так вы сможете сократить потерю тепла на 50%.
Как сделать пол теплее
5. Покройте полы коврами. Нет ничего неприятнее, чем становиться босыми ногами на холодный пол утром. Кроме приятного ощущения, ковры также создают дополнительный изоляционный слой, который не позволяет холодному воздуху с пола подняться, а значит, ваши ноги будут вам благодарны.
6. Используйте герметизирующую прокладку (вату или поролон, например), чтобы закрыть все щели в окнах. После этого оклейте щели полосками хлопчатобумажной ткани (ширина каждой полоски 4-5 см). Так вы не дадите теплу ускользнуть из дома.
7. Желательно иметь в доме толстые, массивные двери, которые сохранят вам много тепла. Можно также обить старую входную дверь кожзаменителем, наполненным поролоновой прокладкой.
Все щели желательно заштукатурить монтажной пеной. Если вы решили установить новую дверь, то посмотрите можно ли сохранить старую, т.к. две входные двери создают воздушную прокладку между собой, и она изолирует тепло.
Как сохранить тепло вашего дома
8. Прикрепите лист фольги за радиатором, и он будет отражать тепло назад в комнату, при этом мало тепла ускользнет через стену. Стоит отметить, что зазор между фольгой и батареей должен быть минимум 3 см.
9. Если по тем или иным причинам не получается прикрепить экран из металлической фольги, попробуйте утеплить дом снаружи. Закажите утепление торцевой стены (как правило, это делают специальными плитами).
10. Принимайте душ с открытой дверью (если это возможно). Тепло и влажный воздух, созданные во время купания, поднимут температуру воздуха во всем доме.
11. Сушите вещи в доме. Также как и купание с открытой дверью, этот способ увеличивает влажность воздуха, и вам станет приятнее и комфортнее.
Утепление дома своими руками
12. Переставьте мебель
Не можете позволить себе утеплить стены снаружи? Тогда попробуйте переставить мебель. К примеру, около самой холодной стены поставить большой шкаф. Но заметьте, что диван не стоит ставить вблизи батареи, т.к. вы нарушите воздухообмен.
13. Если у вас есть треснутые окна, обязательно их замените.
14. Если вы решили что-то испечь – оставьте дверь на кухне открытой, чтобы тепло духовки и/или плиты распространялось по всему дому.
15. В последнюю очередь можете приобрести обогреватель.
Как выбрать обогреватель
Перед тем, как приобрести обогреватель, стоит знать несколько вещей.
Сначала вам нужно определиться, для чего он вам нужен. Отталкиваясь от этого, стоит выбирать насколько мощный потребуется обогреватель. Узнайте площадь помещения (комнаты). Обычная квартира с потолками 2,75 - 2,8 м нуждается в обогревателе мощностью не меньше 1 кВт на каждые 10 кв. м.
Большим плюсом будет присутствие в обогревателе регулятора температуры и мощности. Есть несколько типов обогревателей:
15.1 Масляный обогреватель
Как он работает:
Внутри такого обогревателя есть 2 или 3 тэна, которые используются для нагревания минерального масла. У данного масла довольно высокая температура кипения и когда оно нагревается, то тепло отдается по всей металлической поверхности аппарата.
С помощью такого нагревателя воздух греется довольно быстро, к тому же масляный обогреватель не пересушивает воздух. Он может быть оснащен термостатом, с помощью которого обогреватель отключается, когда температура достигнет установленного уровня.
15.2 Конвектор
Как он работает:
Холодный воздух пропускается через тэн и нагревается, а после этого выходит через решетки, находящиеся в верхней части прибора. Дополнительным источником тепла выступает корпус конвектора, который также нагревается. Но ставить обогреватель стоит подальше от мебели, т.к. теплый корпус может ее испортить.
Конвекторы можно крепить к стене или ставить на специальные ножки. Прибор довольно безопасен, т.к. его нагревательный элемент спрятан внутри корпуса. Если конвектор имеет термостат, то он может работать непрерывно.
Единственный минус в том, что обогреватель медленно греет помещение. Его стоит использовать для поддержания нужной температуры.
15.3 Тепловой вентилятор
Как он работает:
Внутри данного обогревателя находится тонкая спираль, которая сильно нагревается. Тепло, созданное нагревом спирали распространяется по помещению с помощью вентилятора.
Воздух в помещении нагревается довольно быстро, к тому же сам прибор легко переносить, т.к. он довольно легкий. Обычно тепловой вентилятор используется в офисах.
Но стоит отметить, что прибор высушивает воздух, что в свою очередь вредит здоровью. Тепловой вентилятор нежелательно использовать там, где есть астматик. Еще один минус такого аппарата - это постоянный шум при его работе.
15.4 Инфракрасный обогреватель (кварцевый излучатель)
Как он работает:
Этот прибор, в отличие от других, нагревает предметы вокруг него, а не воздух. Далее обогрев помещения происходит благодаря теплу, исходящему от нагретых полов, стен и мебели. Это позволяет экономить электричество, т.к. сам прибор может не работать, а помещение продолжает находиться в тепле.
Если на первом месте - экономия, то стоит выбирать именно такой обогреватель. Но стоит знать, что инфракрасные кварцевые излучатели самые дорогие и для их установки нужен специалист.
Если у вас есть мощные светодиоды, или источник питания, или вы пытаетесь управлять большими моторами, вам придется отводить много тепла от ваших печатных плат. Классический способ рассеивания тепла - привернуть ваш силовой транзистор к алюминиевому теплоотводу. Это медленное, грязное и затратное удовольствие, особенно, если вам нужна теплопроводящая паста между транзистором и радиатором (Рисунок 1).
Еще одна проблема таких радиаторов состоит в том, что сборочные операции хуже контролируются. Процесс изготовление печатной платы и ее монтаж - процесс строго контролируемый и повторяемый. Когда же вы имеете вещь, собранную вручную, это увеличивает вероятность ошибок. Это особенно справедливо, если люди, делающие работу, находятся на другом конце света, говорят на другом языке и плохо обучены.
Сделать схему управления температурным режимом неотъемлемой частью вашей печатной платы - это всегда хорошая идея. Опыт показал, что через участок меди площадью 3×5 дюймов на плате из обычного материала FR4 вы можете отвести порядка 2 Вт тепла.
Уэйн Ямагути (Wayne Yamaguchi) научился некоторым очень важным тонкостям теплового проектирования на своих комплектах преобразователей Maglite для светодиодных фонариков (Рисунок 2). Он думал, что самой трудной частью работы будет разработка импульсного стабилизатора. Но оказались, что наибольшие сложности связаны с механическим конструированием и тепловым проектированием.
Уэйн понял, как использовать переходные отверстия и медные полигоны, чтобы отвести тепло от светодиода и передать его на алюминиевый корпус Maglite. Отвод тепла - это причина, по которой светодиодные фонарики не делают из пластика. Светодиод более эффективен, чем лампа накаливания, но лампа отдает лишнее тепло в виде инфракрасного излучения наряду с видимым светом. Тепло, порожденное светодиодом, остается в нем.
Прежде всего, вы смотрите, как рассеять больше тепла в меди печатной платы. Можно поэкспериментировать с более толстой медью. Обычные печатные платы имеют слой меди толщиной от одной до двух унций на квадратный фут. Для получения фактической толщины в милах (тысячных долях дюйма) эту величину надо умножить на 1.37. Печатные платы с медной фольгой до 6 унций на квадратный фут заказывать несложно. Затем вы приходите к тому, что изготовители печатных плат называют «тяжелой медью», где медь может весить до 20 унций на квадратный фут, то есть иметь толщину 27.4 мила. Если же вам нужна еще бóльшая толщина, вы можете обратиться к производителям печатных плат, которые делают «экстремальную медь». Это все, что имеет толщину больше 20 унций на квадратный фут.
Любой поток воздуха вокруг радиатора или полигонов значительно облегчает отвод тепла. Если вы вскроете паяльную маску на поверхности полигона, это улучшит теплоотвод в окружающую среду. Исключите финишное выравнивание этих больших неизолированных областей меди горячим воздухом. Припой может накапливаться, и вместе с улучшением отвода тепла мы получим большие свисающие куски припоя. Лучше покрывать никелем или использовать иммерсионное золото. И то, и другое будет защищать медь от коррозии, а золотая отделка к тому же великолепно выглядит.
Когда печатная плата не в состоянии отвести достаточную мощность, вы можете, при условии наличия места на плате, увеличить количество выходных транзисторов. Linear Technology, например, поможет вам сделать это при помощи линейных стабилизаторов LT3080, которые вы можете включать параллельно (Рисунок 3). Если ваше устройство рассеивает 5 Вт, вы можете соединить параллельно три микросхемы. Каждый прибор будет хорошо работать при мощности до 2 Вт, если вы выделите ему на плате область меди, достаточную для отвода тепла. Для перераспределения тепла вы можете использовать и внутренние слои, но не забывайте «сшить» их с наружными слоями меди переходными отверстиями, так как в итоге тепло нужно отвести в окружающий воздух.
Если параллельного включения SMD компонентов и толстой меди на печатной плате недостаточно, вы можете поискать транзисторы, подобные семейству Direct FET фирмы International Rectifier, известные также как Infineon CanPAK (Рисунок 4). Радиаторы на их корпуса можно устанавливать сверху. Теперь вы можете использовать весь арсенал толстой и тяжелой меди со стороны всех трех выводов. Вы также можете прижимать или припаивать радиатор к верхней стороне компонента, являющейся частью выводной рамки.
Кроме того, для передачи тепла от печатной платы в воздух в схемах, содержащих импульсные стабилизаторы со встроенными полевыми транзисторами или обычные дискретные транзисторы, вы можете использовать радиаторы в форме крыла чайки или буквы «П» (Рисунок 5). Большое преимущество такого решения состоит в том, что эти радиаторы можно устанавливать с помощью автоматических манипуляторов, подобно другим компонентам вашей платы. Затем вы отправляете плату в обычную инфракрасную печь, чтобы припаять и компоненты, и радиаторы. Убедитесь, что ваша САПР «вставляет» в выходной файл информацию об установке радиатора после размещения полевых транзисторов. Вы также можете сделать примечание на сборочном чертеже.
Эффект от установки теплоотвода на пластиковый корпус будет очень небольшим. Через пластиковый корпус тепло проходит настолько медленно, что сам кремниевый кристалл металлическим радиатором на пластике охлаждается очень слабо. Лучший путь отвода тепла - через выводную рамку, на которой смонтирован кристалл. В большинстве компонентов выводная рамка соединена с землей, общей шиной или выводом отрицательного питания. У некоторых КМОП микросхем выводная рамка соединена с плюсом питания. Прежде чем строить предположения о том, как отвести тепло, проконсультируйтесь с производителем ИС.
Когда вам надо отвести по настоящему много тепла, возможно, в горячей среде, как под капотом автомобиля, вы можете перейти к печатным платам на металлическом основании (Рисунок 6). Хорошей стороной плат с металлическим основанием является то, что пропуская огромное количество тепла, они одновременно служат силовыми элементами конструкции. Плохая состоит в том, что при небольших объемах производства печатные платы с металлическим основанием, как правило, дороги. Услуги по изготовлению прототипов печатных плат на металлическом основании может предоставить компания PCBPool.
Существует более новая запатентованная технология изготовления печатных плат с большими токами и большим тепловыделением. Компания Häusermann называет этот процесс HSMtec. Они «прошивают» и покрывают платы проводниками толщиной до 20 мил. Эти проводники и полосы проходят либо под существующими трассами вашей конструкции печатной платы (Рисунок 7а), либо над ними (Рисунок 7б). В результате любой узкий проводник может нести гораздо больше тока и тепла. Полосы толщиной 2 мила могут быть сделаны достаточно широким, и вы получите те же преимущества, что и при использовании экстремальной меди или печатных плат с металлическим основанием.
|
Когда речь заходит о хорошей тепловой конструкции, нет лучшего примера, чем линейка контроллеров двигателей электромобилей, которые делают Отмар Ибинхоич (Otmar Ebenhoech) и Zilla (Рисунок 8). Если вы следите за шоу PBS о Белом Зомби, одном из лучших уличных электрических гонщиков на Земле, вы можете увидеть контроллеры Zilla, когда камера заглядывает под капот. Компромиссный характер теплового конструирования Отмар понял много лет назад. Начинал он с большого модуля IGBT. Им было трудно управлять, и не менее трудно было отвести тепло. В качестве сувениров на стене у Отмара висит множество взорвавшихся модулей. Его идея состояла в том, что от нескольких IGBT отвести тепло легче. Поэтому он использовал 36 IGBT в корпусах TO-247. Когда я спросил, почему он не использовал MOSFET, Ибинхоич отметил, что «в диапазоне напряжений 600 В при максимальном токе IGBT имеют гораздо меньшие потери мощности. Стандартные модули Zilla Z2K работают при токе двигателя 2000 А». Для отвода тепла от этих распределенных по плате источников Отмар использует медные радиаторы с водяным охлаждением. Для снижения импеданса источника питания MOSFET важное значение имеют накопительные конденсаторы. При таких уровнях тока даже малейшая индуктивность шины будет означать большие выбросы при переключении, приводящие к разрушению IGBT и потерям мощности. Отмар вспоминает, что наиболее интересной частью проекта была головоломка при механическом конструировании. «Вы должны располагать конденсаторы как можно ближе к IGBT, но в то же время от IGBT нужно отводить тепло». Затем есть полудюймовые кабели, подводящие ток, плюс вам надо спроектировать очень хорошую систему «земли», чтобы вторые выводы конденсаторов «видели» низкий импеданс. При каждом IGBT имеется также ограничительный диод, который должен располагаться как можно ближе, чтобы минимизировать размеры токовых петель. Еще одна блестящая идея Отмара - использовать 8-разрядный микроконтроллер Microchip PIC для контроля и управления всеми аспектами преобразования энергии. В наши дни, может быть, вы использовали бы 32-битный чип ARM Cortex M0. Тогда вы могли бы иметь стек TCP/IP, если бы захотели через Wi-Fi соединить контроллер с Интернетом. Ибинхоич замечает: «PIC были выбраны в 1999 году, сейчас я бы воспользовался чем-то намного более быстрым». Таким образом, проектируете ли вы светодиодную лампу или гоночный электромобиль, для отвода тепла от электроники вам надо знать свои возможности и потребности. Если вы убедились, что разработали проект для наихудших условий, и действительно испытали его в этих условиях, то можете гарантировать ему долгую и счастливую жизнь. |