שיקולים חשובים כאשר בוחרים מאוורר עבור קירור אויר מאולץ

מבוא
תכנון של פיתרון ניהולי תרמי מתאים דורש גישה מערכתית; כל רכיב בכרטיס מעגל יצרוך איזה כוח ובמקומו, יתרום לטמפרטורת הפעולה הכוללת. רוב הרכיבים האלקטרוניים מתוכננים לפעול בתוך תחום טמפרטורות מסוים, אך לכל אחד מהם יהיו מגבלות שלו והפרופיל התרמי היחידי שלו.
טכנולוגיית הקירור כוללת צורות רבות, אך כולן משתמשות ביסודות ההולכה, ההסעה והקרינה כדי להרחיק חום בלתי רצוי. הבנה של הנתיב התרמי לשם הרחקת החום העודף במערכת היא צעד ראשון לקראת תכנון של פיתרון תרמי יעיל.
ברוב המערכות, במיוחד אלה המשתמשות בקרפיף (enclosure), צורה כלשהי של קירור אוויר מאולץ יידרש כדי לייטב את שיטות הקירור הבסיסיות הזמינות ולבסוף להרחיק את החום מהמערכת. הדבר ידרוש מאוורר מסוג כלשהו וכיום קיימות אפשרויות רבות לבחור ביניהם. בחירה של המאוורר הנכון עבור הניהול התרמי של מעגל מודפס מזווד היא קריטית, והיעילות שלה עשויה להיות רבת השפעה על משך החיים הכולל של המערכת.
כורח הקירור
החום המופק על-ידי רכיבים פסיביים, מוליכים למחצה משולבים והתקנים מוצקים אחרים הוא תוצאת-לוואי של פעולתם. על אף המאמצים ליצור מיקרו-בקרים בעלי הספק מאוד-נמוך, העובדה הבלתי נמנעת היא שהעברת נושאי מטען במצע יוצרת חום. דבר זה מצביע על הסיבה של החום והצורך בניהול חום יעיל. התקנים פאסיביים, במיוחד נגדי הספק, יכולים לשאת בטמפרטורת צמד מרבית. על-מנת למנוע כשל שואתי חייבים לשמור על טמפרטורת סביבה מספיק נמוכה כדי להבטיח את הפעולה הבטוחה של כל הרכיבים במערכת.
הולכת החום הרחק מהרכיבים דרך המעגל המודפס היא האמצעי הפשוט ביותר להרחיק את החום. אולם, כאשר מערך אלקטרוני מוצב בזיווד כמו התקנה במסד, פיזור החום דרך הולכה הופך לפחות יעיל. מסיבה זו, מערכים הצורכים לא יותר מ-25 ואט של הספק עשויים לדרוש קירור אויר מאולץ.

פרופיל של מערכת
לשם תכנון פיתרון קירור מתאים, חיוני ליצור פרופיל תרמי של המערכת הפועלת בכל התנאים כדי להבין היכן וכמה חום מופק. דבר זה ניתן לבצע על-ידי שימוש בחיישני טמפרטורה המפוזרים מסביב למעגל מודפס ובתוך המארז, דבר המספק את הנתונים הדרושים כדי לעבור לשלב הבא, הגדרת כמות הקירור הדרושה.
היבט חשוב אחר של ביצוע פרופיל של מערכת הוא קביעת כמות העכבה לזרימת האוויר שהמערכת מציגה. עכבת המערכת, במונחים של מפל לחץ האוויר בין המבוא והמוצא, משחקת תפקיד חשוב בחישוב זרם האוויר הכולל הדרוש מהמאוורר, ובהמשך, הגודל והסוג של מאוורר שיש לתכנן. קביעת עכבת המערכת יכולה להתבצע על-ידי מדידה של מפל הלחץ תוך שימוש בחיישנים, או, אם אפשר, על-ידי הצבת המערכת בתא אוויר. עבור מערכות גדולות יותר, דוגמת מרכזי נתונים, מידול המערכת תוך שימוש בדינאמיקת נוזלים ממוחשבת (computational fluid dynamics, CFD) מספק פרופיל אפילו מדויק יותר של דרישות הקירור של מערכת..

קביעת דרישות הקירור
כמתואר, ניהול תרמי יעיל של רכיבים אלקטרוניים קריטיים ניתן להשיג תוך שימוש ברמות מתאימות של קירור אוויר מאולץ, אך מה זה “מתאימות”? כדי לענות יש לבחון ולהבין באיזו מידה הטמפרטורה הפנימית יכולה להשתנות מבלי להגדיל את סכנת הכשל.
חשוב לעשות תכנון כדי לקבוע את הרכיב ה”קריטי ביותר” במונחים של טמפרטורת פעולה; דבר זה יספק את טמפרטורת הסביבה המרבית. פיזור החום המצטבר עבור רכיבים עיקריים, דוגמת טרנזיסטורי הספק, מיקרו-בקרים, מגברים וממשקי תקשורת, יספק הערכה של כמות ההספק המפוזר על-ידי התכנון הכולל.
ההספק המפוזר, בואטים, מומר ליניארית לאנרגיה, ב-Joules/sec, אשר בתורה מוצגת כחום. ניתן להניח שטמפרטורת האוויר מסביב לרכיבים תוסיף לעלות כל עוד המערכת מופעלת ובנקודה מסוימת תגיע לרמה אשר תמנע את הרחקת החום הנוסף. החלפת האוויר המחומם באוויר סביבתי תוך שימוש בקירור אוויר מאולץ היא בהחלט התוצאה הרצויה, ולכן חיוני להגדיר מאוורר שיכול לספק את רמת זרימת האוויר המתאימה עבור המערכת.
משוואה 1 מראה את הקשר בין עליית הטמפרטורה וזרימת האוויר, כאשר q היא כמות החום הספוגה על-ידי האוויר (W), w הוא זרם האוויר הכולל (kg/s), Cp הוא החום הספציפי של האוויר (J/kg*K) ו-TΔ היא עליית הטמפרטורה של האוויר (0C).

משוואה 1. חישוב ספיגת האוויר
q=w x Cp x ΔT

לאחר שהטמפרטורה המרבית המותרת בתוך הזיווד ידועה וכמות החום המופק נגזרה (על בסיס ההספק/חום המפוזר על-ידי הרכיב(ים) אפשר לחשב את כמות זרימת האוויר הדרושה. מאחר שזרימת המסה (w) שווה לזרימת האוויר x צפיפות (p), החלפה וחישוב של Q ניתן לכתוב מחדש את משוואה 1 כדי לקבל משוואה 2 (בה Q היא כמות האוויר הזורם ב-CMM (m3/min), q היא כמות החום שיש לפזר (W) ו-p – היא צפיפות האוויר (kg/m3).
משוואה 2: חישוב כמות זרימת האוויר הדרושה
Q=[q/(p x Cp x ΔT)] x 60

ע”י החלפת קבועים במקום Cp ו-p ב-260C, אנחנו נגיע למשוואה כללית לחישוב זרימת האוויר, כמוצג במשוואה 3.

משוואה 3: משוואה מפושטת לחישוב זרימת האוויר
Q=0.05 x q/ΔT; עבור Q ב-CMM
Q=1/76 x q/ΔT עבור Q ב-CFM
ערך זרימת האוויר המחושב מיתן עתה להשוות כנגד המפרט עבור מאוורר. כמתואר באיור 2, יצרנים מאפיינים מאווררים תוך שימוש בשני פרמטרים אלה, כדי לספק גראף המתאר במדויק זרימת האוויר (מדודה או בפיט מעוקב בשנייה, Cubic Feet per Minute, CFM) או מטרים מעוקבים בדקה (Cubic Meters per Minute, CMM) לעומת לחץ סטטי (הנמדד או באינטשים או במילימטרים של מים, הנכתב לעתים קרובות כ-Inch H2O או mm H2O).
איור 2 מראה את עקום הביצועים של סדרת ה-CFM-120 של CUI, מאוורר צירי בעל מסגרת של 120 ממ’ x 120 ממ’ עם מבנה של מיסב כדורי כפול. למרה הצער, התוצאה הנתונה על-ידי משוואה 3 מדויקת רק עבור תנאים אידיאליים; ללא לחץ אחורי מהזיווד (הידוע בתור עכבת המערכת, כמוזכר לעיל). במציאות תהיה תמיד עכבת מערכת כלשהי, כך שכדי לקבוע את הדרישות של העולם האמיתי חשוב ביותר לחשב או להעריך את עכבת המערכת. זו ניתנת לתיאור גראפי על עקום ביצועי המאוורר (איור 3) והנקודה בה הם מצטלבים ניתנת להערכה בתור נקודת הפעולה עבור המאוורר.
כמצוין לעיל, ניתן למדוד זרימת האוויר דרך זיווד בעזרת תא זרימת אוויר, אך זוהי לא אופציה: החלופה היא לציין את נקודת העבודה על הערך הנגזר ממשוואה 3. לדוגמה, אם זרימת האוויר המחושבת היא 50 CFM עם לחץ אחורי אפס, פירוט יתר של המאוורר כך שהוא יפיק CFM 100 מרבית בכוונה להפעיל אותו ב-75 CFM יצור מידה גדולה של טעות, כמו גם כחלל-ראש עבור עליית זרימת האוויר במהלך הפעולה.
נקיטת צעדים בשלב התכנון כדי להקטין או למזער את עכבת המערכת עשויה להיות יתרון במונחים של הגדרת הגודל וההספק של מאוורר. לכל הפחות, נוהל טוב הוא לשמור על השטחים מסביב לכניסה ויציאה של האוויר חופשיים מרכיבים ככל הניתן, ויש לשקול את העכבה הנוספת של המערכת שמסנן יתרום. הצבת רכיבים על המעגל המודפס צריכה לעודד את זרימת האוויר אל רכיבים קריטיים ומסביב להם, תוך שימוש במדריכים אם צריך.
בנוסף, יש להעריך שהמשוואות הללו גם משתמשות בצפיפות האוויר בגובה פני הים. אם המערכת צפויה לשמש בגבהים משמעותית יותר גבוהים מפני הים חיוני שהדבר יובא בחשבון. צפיפות האוויר יורדת עם הגובה, כך שעלייה משמעותית בגובה תגרום לעלייה דומה בזרימת האוויר הדרושה כדי לשמור על אותה הרמה של קירור.
כיצד לבחור את תכנון המאוורר הנכון
בדומה לכך שהם זמינים הן בתצורת ac והן ב-dc, מאווררים מסווגים בד”כ על-ידי הדרך בה האוויר נכנס ויוצא מהמאוורר; אם הוא יוצא באותו המשטח בו הוא נכנס הוא מכונה רגיל במאוורר צירי, כמו לקלוט אוויר מצד אחד ולהוציאו מהאחר. אם זרימת האוויר יוצאת במשטח אחר הוא מכונה לרוב תכנון צנטריפוגלי, מאחר שהאוויר המוכנס משנה כיוון בתוך המאוורר ומוצא בכיוון אחר. סוג זה של מאוורר דוחס למעשה את האוויר, ומאפשר לו לספק זרימת אוויר קבועה בלחצים שונים. אולי התכנון הצנטריפוגלי הנפוץ ביותר הוא המפוח, הדומה למאוורר צירי אך אופיינית מוציא אוויר ב-900 כלפי הכניסה.
נפח זרימת האוויר הדרוש והלחץ הסטטי של המערכת ישפיעו על הסגנון המתאים ביותר עבור יישום נתון. מאווררים ציריים מתאימים ביותר לזרימת אוויר במערכות בעלות לחץ סטטי נמוך, בעוד מאווררים צנטריפוגליים מציעים זרימת אוויר נמוכה יותר, אך יכולים לספק אותו כנגד לחץ סטטי גבוה יותר.
הרעש הקולי והחשמלי הם שיקולים חשובים כאשר בוחרים מאוורר. בשעה שהיתרונות של השימוש במאוורר dc צוינו לעיל, לעתים קרובות יתרונות אלה הם בניגוד כללי לרעש הקולי המופק על-ידי הפעלתם. כלל האצבע הכללי הוא ככל שזרימת האוויר גדולה יותר, כך גם הרעש הקולי. לכן, למאווררים ציריים יהיה אופיינית רעש קולי נמוך יותר מאשר למפוח. תכנון זהיר להיטיב את זרימת האוויר ולהקטין את עכבת המערכת, ובכך להקטין את ה-CFM הדרוש, הם קריטיים כדי למזער את הרעש הקולי הנוצר.
בנוסף לרעש הקולי, למאווררי dc יכולות להיות השפעות מערכת בלתי רצויות אחרות. המנוע dc בתוך המאוורר יוצר חתימת הפרעה אלקטרו-מגנטית EMI המופק על-ידי מאוורר הוא לרוב מוגבל ל-EMI מוליך במוליכי ההספק. דבר זה יכול להיות מבוטל על-ידי חרוז פריט, סיכוך או סינון. עבור רוב מערכות המבוססות על מעגלים מודפסים בזיווד, המאוורר הצירי dc מספק את האיזון הנכון בין עלות, רעש קולי, רעש חשמלי (EMI) וביצועים.
ישנם הבדלים במבנה של מאווררים ציריים שיכולים גם להיות רלוונטיים בתלות ביישום. במיוחד ההבדלים קשורים במסבים, שהם או מסבים כדוריים מפלדה או מסבי סינטור אבקתי, המכונים לרוב מסבי שרוול. בטמפרטורות נמוכות לרוב מסבי שרוול יכולים לפעול טוב כמו מאווררי מסבי כדור, אולם בטמפרטורות משתנות או גבוהות מסבי כדורים הוכחו כפועלים יותר זמן וביותר אמינות. למאווררי מסבי שרוול, שהם בד”כ זולים יותר מאשר מאווררי מסב כדורים, ישנו המקום שלהם, אולם אורך החיים הקצר יותר שלהם והנטייה לכשל בטמפרטורות גבוהות מגבילים את ההתאמה הכוללת שלהם.

בקרה אקטיבית והשתנות
מאווררים ציריים משמשים היטב בזיוודים בתוך כונן הודות לשילוב שלהם של גודל קטן, הספק נמוך וזרימת אוויר גבוהה. רבים גם כוללים תכונות נוספות שיכולות לשפר עוד יותר את ביצועי המערכת על-ידי הספקת בקרה גדולה יותר על מהירות הפעולה, ובכך מיייטבים תכנון עבור צריכת הספק כוללת. כמתואר, חישוב של זרימת האוויר המזערית הדרושה כדי לקרר מעגל מודפס המותקן בתוך זיווד מאפשר הגדרה של מאוורר שיכול לספק קירור מתאים בכל התנאים. דבר זה מניח שהמאוורר יפעל בקביעות, אף כאשר לא דרוש קירור מרבי. בשעה שדבר זה לא אמור לגרום לכשל, הוא מניח תנאי המקרה הגרוע ביותר בכל זמן ולכן הוא לא יעיל מבחינת המערכת וגם יקצר את אורך החיים הפעיל של המאוורר.
בשל כך ניטור הטמפרטורה בתוך הזיווד נהיה נפוץ, ורק להפעיל את המאוורר כאשר הדבר דרוש. בעוד גישה זו יכולה לשפר את אורך החיים של המאוורר ולהקטין את הרעש הקולי, הוא יכול להציב בעיות במונחים של פיגור תרמי. הוא יכול גם ליצור תנאי כשל אם בשל סיבה כלשהי המאוורר אינו מסוגל להתחיל לפעול בשל חסימה במאוורר.
כדי לטפל בזה, מאווררים ציריים מודרניים כגון סדרת ה-CFM של CUI כוללים הגנה של תיחול מחדש אוטומטי כתכונה רגילה. תכונה זו מגלה כאשר מנוע המאוורר מנוע מלהסתובב ומנתק אוטומטית של זרם ההזנה. דגמים הכוללים את סדרת ה-CFM-60 מציעים גם בקרות אופציונאליות דוגמת טכומטר וחיישני גילוי סיבוב. הטכומטר מגלה את המהירות הסיבובית של מנוע המאוורר ומספק מוצא פולסי שיכול לשמש בתוך מעגל הבקרה (ראב איור 4). אם המנוע נעצר, המוצא מפסיק ליצור פולסים ונעצר במצב לוגי גבוה או נמוך. תכונת גילוי הסיבוב משמשת גם כחיישן של הנעילה; אם מנוע המאוורר עוצר, המוצא מובל לרמה לוגית גבוהה ונשאר ברמה לוגית נמוכה במשך הפעולה הרגילה (איור 5).
בנוסף, ישנה היכולת לבקר את מהירות המאוורר תוך שימוש ב-Pulse Width Modulation (PWM); מחזור הפעולה של מבוא זה קובע את המהירות של סיבוב המאוורר, הקשר בין מחזור הפעולה ובאם מהירות המאוורר היא ליניארית. כאשר משתמשים בכך בשילוב עם אלגוריתם פשוט המופעל על מיקרו-בקר אפשר ליצור פיתרון ניהול תרמי מתוחכם שיכול להתאים לתנאי המערכת ולספק פעולה יותר יעילה.
דוגמה פשוטה של הפעלת בקרת המאוורר כוללת חיישני טמפרטורה יחידים או מרובים המחולקים מסביב לכרטיס. מעגלים משולבים מודרניים רבים כוללים כעת חיישני טמפרטורה, שניתן להשתמש בהם למטרה זו. אזורי שימוש מספקים ראות טובה יותר במערכת, במיוחד עבור רכיבים יותר רגישים לשינויי חום. כאשר הטמפרטורה הנמדדת מתקרבת לרמה שנקבעה מראש, ניתן להפעיל את המאוורר או להגדיל את מהירותו על-ידי שינוי במחזור הפעולה של אות ה-PWM כדי לספק את הקירור הדרוש (ראה איור 6). בהתאמה, ניתן להקטין את מהירות המאוורר אם הטמפרטורה הפנימית היא מתחת לרמה מקובלת.

סיכום
קירור אוויר מאולץ הוא דרך יעילה להפעיל ניהול תרמי יעיל עבור מעגל מודפס מזווד, ובחירת המאוורר הנכון עבור היישום היא חיונית. בשעה שמוליכים למחצה ומעגלים מודפסים הופכים לעוד יותר מורכבים וצפופים, אם רכיב כושל, הדבר יהיה סטטיסטית בשל חימום יתר או הפעלה לאורך זמן בטמפרטורת צמד קריטית. אם רמת קירור האוויר לא מספקת עבור צורכי המערכת, המאוורר יציג אופיינית את עצמו בתור רכיב קריטי כושל. עם סיכון כה גבוה, בחירת המאוורר הנכון לא צריכה להיות מקרית והיא יכולה לשמש כהבדל בין כשל מוקדם מידי ומערכת הפעלה יעילה.