רכיבים אלקטרוניים אוהבים לפעול כשהם קרים. האמינות של כל חלק, המדגים אפקט של חימום עצמי פנימי, תפחת יחד עם האמינות של חלקים אחרים סביבו. עם הזמן, החום שנוצר עלול לגרום גם לעיוות של המעגל המודפס, תופעה העלולה לפגוע בשלמות החיבורים לרכיבים אחרים ולהשפיע על העכבות של הפסים המוליכים. במרבית המקרים, החשודים המיידיים ביצירת פסולת החום הם ספקי כוח ומגברי הספק מכל סוג שהוא (שמע או תדרי רדיו [RF]). אולם, גם מערכות חדישות על שבבים (SoCs), מודולי המרת הספק ומיקרו-מעבדים חזקים עלולים לייצר חום פנימי ניכר.
מאמר זה בוחן מקורות חום אפשריים ביישום המבוסס על אלקטרוניקה, ומתמקד בשיטות שונות של ניהול תרמי.
חיפוש מקורות חום
ניהול תרמי הוא היבט חיוני של תכן אלקטרוני, כיוון שהוא מסייע בוויסות הטמפרטורה של ההתקנים האלקטרוניים ובמניעת נזק הנובע מהתחממות יתר. הפעולה השוטפת של רכיבים אלקטרוניים מסוימים מייצרת חום. אם החום אינו מתפזר כראוי, הוא עלול לקצר את חיי השירות הכוללים של רכיבים אלה או לגרום נזק בלתי הפיך. ניהול תרמי נועד לשמור על טמפרטורות פעולה בטוחות של רכיבים אלקטרוניים, ולהבטיח אמינות וביצועים שלהם לאורך זמן. החום שנוצר נחשב להפסד אנרגיה, המעיד על הפחתה של הנצילות האנרגטית. כפי שנגלה בהמשך מאמר זה, ניתן לפזר חום בשיטות שונות – החל מקירור מאולץ באוויר באמצעות מאוורר ועד להסעה של החום באמצעות גוף קירור.
כאשר שוקלים ניהול תרמי, יש להבין את הטווח הבטוח של טמפרטורות הפעולה של כל רכיב בתכן. גיליונות נתונים מספקים בדרך כלל מידע זה, ומציינים טווח בין גבול הטמפרטורה התחתון לעליון, המכונה לעיתים קרובות אזור הפעולה הבטוחה (SOA). ה-SOA מגדיר את הטווח שבו הרכיב יפעל באופן אמין – ללא התנהגות בלתי צפויה או התיישנות מוקדמת. שיקול חשוב נוסף הוא טמפרטורת הסביבה, שבה יפעל המעגל באופן שוטף.
יישומים ורכיבים, העלולים לייצר חום לא רצוי, כוללים:
המרת מתח: ספקי כוח, הממירים מתח רשת AC למתחי DC נמוכים יותר, תמיד יגרמו להפסדים כלשהם. הנצילות של ספק כוח משתנה בדרך כלל בהתאם לתנאי העומס ולטופולוגיה של הממיר. לדוגמה, הנצילות המרבית של ספק הכוח הממותג XP Power ASB160, התומך בהספק AC/DC של 160 ואט, היא 91% עד 93% בתנאי עומס מלא. מפרט נצילות זה מצביע על כך, שעד 9% מתוך 160 הוואט של אנרגיית כניסת הקו (כלומר, 14.4 וואט) יחייבו פיזור. מקורות החום הצפויים בספק כוח כוללים רכיבי MOSFET ממותגים, דיודות ומשרנים.
דוחפי מנועים: רכיבי ה-MOSFET במעגלי דוחפי השער של מנועים תעשייתיים בעלי הספק גבוה מסוגלים לייצר כמות משמעותית של חום לא רצוי. השלב הסופי של מוליכים למחצה או מודולים משולבים כולל בדרך כלל את מקורות החום העיקריים, שמחייבים גופי קירור ורכיבים תרמיים אחרים. ההתנגדות הטורית הפנימית בשרשרת ההולכה של רכיב MOSFET, או של רכיבי מוליכים למחצה אחרים המשמשים ליישומי הספק, עשויה להיות נמוכה יחסית. אולם, החום הנוצר עלול להיות משמעותי ביישומים התומכים בזרמים ובמתחים גבוהים.
חימום עצמי של רכיבים פסיביים: תופעת החימום העצמי הפנימי של רכיבים פסיביים, כמו קבלים, נגדים ומשרנים, מוכרת היטב. למרות שהפסד האנרגיה של כל אחד מהחלקים עשוי להיות נמוך יחסית, השימוש הנרחב ברכיבים אלה הופך אותם למקור חום משמעותי.
הגברה: כל מעגל הגברה המבוסס על מוליכים למחצה או על מודולים ייצר כמות מסוימת של חום. מגברי שמע ו-RF הם המועמדים הסבירים ביותר לכך. נצילות המגבר והספק הכניסה קובעים את החום המרבי שיש לפזר. הנצילות של חלק מטופולוגיות המגברים גבוהה יותר, ולפיכך חשוב להבין את הספק השיא האפשרי ואת נצילות הפעולה של המגבר בכל תרחיש שימוש.
הפסים המוליכים במעגלים מודפסים והחיבורים ביניהם: בתנאי עומס שיא, עכבת הפסים המוליכים במעגלים מודפסים עלולה לייצר תמיד חום. יש לחשב את הרוחב ואת הפריסה של הפסים המוליכים במעגלים מודפסים לפי תנאי ההפעלה המקסימליים; אי-הקפדה על כך עלולה לגרום להתחממות מקומית, לעיוות ולשרפה. בדומה לכך, העמסת יתר ממושכת של החיבורים במעגל עלולה ליצור חום בהדקי המחברים, שיגרום נזק ועלול לגרום לשרפה.
נוסף לבדיקת טמפרטורות הפעולה הבטוחות של רכיבים בגיליונות הנתונים שלהם והבנת הפרמטרים של המעגלים, מצלמה תרמית (איור 1) עשויה לספק תמונה מדויקת של הרכיבים העיקריים שמייצרים חום.
איור 1: תמונת אינפרא אדום תרמית של מעגל מודפס, המציגה מקורות חום משמעותיים (מקור: Teledyne Flir)
השפעת החום על אמינות הרכיבים
רמות גבוהות של חום עלולות להשפיע באופן דרמטי על אמינות הרכיבים. איור 2 ממחיש את אמינות החיים הצפויה של קבלים קרמיים רב-שכבתיים (MLCCs), שטמפרטורות הפעולה הנקובות שלהם נעות בין +85°C ל-+105°C. לדוגמה, חיי השימוש של קבל MLCC בדירוג של 85°C, הפועל בטמפרטורה של 50°C, הם 40 שנה. תקופה זו מתקצרת לעשר שנים בלבד כאשר טמפרטורת הפעולה הממוצעת עולה בעשר מעלות ל-60°C.
איור 2: השפעת הטמפרטורה על חיי השירות של קבל MLCC (מקור: Murata)
האמינות של כל מערכת מוגדרת כפרק הזמן הממוצע בין תקלות (MTBF), ומחושבת לפי פרמטרי האמינות של רכיביה. כל עלייה בטמפרטורת הפעולה הממוצעת עקב חום עודף תקצר את ה-MTBF של היחידה.
נוסף לכך, התקנים וסוללות רבים המבוססים על מוליכים למחצה מדגימים בריחה תרמית. בתגובת שרשרת זו, עלולה העלייה הספירלית של הזרמים הנובעת מעליית הטמפרטורה לגרום לכשל של רכיבים, לעומס יתר במערכת ולשרפה.
שיטות לניהול תרמי
חום מתפזר במספר דרכים, הכוללות הולכה והסעה. הולכה היא העברת חום (אנרגיה תרמית) מעצם אחד לאחר. שאיבת אנרגיה תרמית מרכיב חם לעצם קר יותר מפחיתה את טמפרטורת הרכיב. שיטת העברת החום היעילה ביותר היא הולכה, כיוון שהיא דורשת את שטח הפנים הקטן ביותר.
קירור בהסעה משתמש בתנועה של זרימת האוויר כדי לסלק חום מעצם, ומפזר אותו מחדש אל האוויר שמסביב. כאשר האוויר מסלק את החום, אוויר נוסף נשאב פנימה, מגביר את זרימת האוויר ומפחית את הטמפרטורה של מקור החום. זרימת האוויר עשויה להתרחש באופן טבעי או מאולץ; לדוגמה, תהליך פיזור החום מואץ כשמשתמשים במאוורר. נוסף לכך, גופי קירור מגדילים את שטח הפנים האפקטיבי של הרכיב ומשפרים את פיזור החום.
עכבה תרמית וחומרי ממשק תרמי
עכבה תרמית מודדת את יעילות הולכת החום של חומר, ומהווה פרמטר חיוני בהערכת החישובים של הניהול התרמי. לדוגמה, חומרי ממשק תרמי (TIMs) כגון רפידות, ג’לים ומשחות משפרים את הולכת החום מרכיב MOSFET להספק. חלקם מוליכים חום אך מספקים בידוד גלווני בין החומרים. חברת Würth Elektronik מציעה מגוון רחב של חומרי ממשק תרמי (איור 3). דוגמאות לכך כוללות את הסדרה WE-TINS (רפידות סיליקון דקות, שתוכננו לבודד חשמלית רכיבים אלקטרוניים ומכללי קירור אך לאפשר זרימת חום) ואת הסדרה WE-TGFG (הכוללת ליבת ספוג העטופה בשכבת גרפיט סינתטי, שמיועדת לספק חלופת פיזור חום נטולת סיליקון ובעלת מוליכות גבוהה ביותר למילוי מרווחים אנכיים).
איור 3: חלק ממגוון חומרי הממשק התרמי הזמינים אצל Würth Elektronik (מקור: Würth Elektronik)
גם חברת Panasonic מציעה מגוון פתרונות ניהול תרמי, כגון רפידות הגרפיט EYG-R. רפידות אלה קלות להתקנה, ומתאפיינות באמינות גבוהה ובהתנגדות תרמית נמוכה כיוון שצידן האחד מצויד במשטח חלק יותר, המספק מגע תרמי משופר. רמת הדחיסות הגבוהה של רפידות הגרפיט של Panasonic מאפשרת להן למלא ביעילות את החללים שבין התקני החימום והקירור כדי לשפר את העברת החום.
גופי קירור
גופי קירור מגיעים בכל הצורות והגדלים. רבים מהם תוכננו למוליכים למחצה להספק ולמארזי IC/SoC ספציפיים. אחרים מתאימים למודולים סטנדרטיים בתעשייה, כגון סדרת גופי הקירור ATS maxiFLOW™ של חברת Advanced Thermal Solutions Inc., שתוכננה למודולי המרת DC/DC בתצורת גודל של מלבנים מלאות.
חברת CUI Devices מספקת גם מגוון רחב של גופי קירור, המתאימים למארזים ולמודולים של מוליכים למחצה. כדי לסייע בבחירה, CUI מציעה מדריך לבחירת גופי קירור.
מאווררים
מאווררים משמשים ליצירת זרימה מאולצת של אוויר על פני מעגלים מודפסים וגופי קירור. בין דוגמאות המאווררים המוצעים על ידי CUI Devices ניתן למנות מאווררי DC צנטריפוגליים בעלי מהירות משתנה ומאווררי DC ציריים, המצוידים שניהם במערכת המסבים omniCOOL™.
מודולי פלטיה
מודול פלטיה תרמואלקטרי מסוגל לקרר מוליכים למחצה ורכיבים אחרים המהווים מקור חום קטן – פתרון אידאלי למארזים מוגבלי מקום. כפי שגילה ז’אן פלטיה, ובאופן המאפיין את אפקט סיבק, העברת זרם דרך שני מוליכים העשויים מחומרים שונים מזרימה ביניהם אנרגיה תרמית. מודולים זעירים אלה, המיוצרים בדרך כלל מכדוריות מוליכים למחצה מסוג P ו-N, מאפשרים להעביר ביעילות חום ממקור חום אל גוף קירור ללא חלקים נעים.
איור 4 מתאר את זרימת האנרגיה התרמית בין מקור לגוף קירור המפזר את החום. חברת CUI Devices מספקת מגוון של מודולי פלטיה (רגילים וזעירים), המסוגלים להתמודד עם מפלי טמפרטורות מרביים של +77°C.
איור 4: מפל הטמפרטורות בין מקור חום לגוף קירור המשתמש במודול פלטיה (מקור: CUI Devices)
ניהול תרמי: שיקול חיוני בכל תכן
חום עלול להפוך לבעיה משמעותית במערכות אלקטרוניות מודרניות, שהמקום בהן מוגבל. חום גבוה מדי לפרק זמן ממושך מקצר את חיי הרכיב ופוגע באמינות הכוללת של המערכת. קירור מקורות חום מאריך את חיי היישום ואת אמינותו. במאמר קצר זה, התמקדנו במקורות חום מסוימים והמלצנו על דרכים לפזר אנרגיה תרמית לא רצויה זו.
