Как отвести тепло

Новые методы отвода тепла в электронике

Не секрет, что в настоящее время приблизительно половина потребляемой серверами энергии тратится на их охлаждение. Поэтому поиск эффективных систем охлаждения — актуальный вопрос.

Исследователи из Технического университета Чалмерса (Гётеборг, Швеция) разработали метод эффективного охлаждения электроники с помощью графеновой пленки. Оказалось, что она проводит тепло в четыре раза лучше меди и легко прикрепляется к электронным компонентам, сделанным из кремния. Однако несколько слоев атомов не в состоянии обеспечить отвод большого объема тепла. С увеличением же числа слоев растет и риск отрыва пленки от основы. Решить эту проблему удалось, добавив в графеновую пленку силан APTES (вещество, традиционно применяемое для усиления сцепления битума со щебнем в асфальте). Подвергнутый нагреву и гидролизу он не только улучшает сцепление, но и вдвое увеличивает плоскостную (in-plane) теплопроводность графеновой пленки: до 1600 Вт/мК, при толщине пленки 20 мкм.

На другом континенте сотрудники Университета Райса (Хьюстон, Техас) Ружбе Шахсавари и Навид Сакхаванд завершили первый теоретический анализ возможности применения трехмерного нитрида бора в качестве настраиваемого материала для отвода тепла от электронных устройств.

В двумерной форме гексагональный нитрид бора (или белый графен) выглядит так же, как монослой атомов углерода. Но h-BN является не проводником, а естественным изолятором. Проведенные симуляции показали, что 3D-структуры из плоскостей h-BN, соединенных нанотрубками нитрида бора, будут способны переносить фононы во всех направлениях, как параллельно, так и перпендикулярно плоскости. При этом, чем больше нанотрубок или чем они короче, тем медленнее распространяется тепло, а длинные трубки ускоряют теплообмен.

Этот тип системы объемного управления теплообменом открывает возможности создания тепловых вентилей или тепловых выпрямителей, в которых поток тепла в одном направлении будет отличаться от встречного потока. Благодаря изолирующим свойствам нитрида бора, он может стать удачным дополнением к графену в будущих устройствах трехмерной наноэлектроники.

Применение этих технологий сделает возможным появление более быстрой, миниатюрной и экономичной мощной электроники – светодиодов, лазеров и радиочастотных компонентов.

Почему греется электроника и как работают разные методы охлаждения

Практически все электронные элементы имеют свойство нагреваться, неважно – ощутимо или нет. И если эти процессы не контролировать надлежащим образом, то перегревшиеся элементы либо сгорят, либо серьёзно ограничат возможности компьютера.

Большинство пользователей, конечно же, прежде всего подумают об охлаждении процессора и видеокарты, но почему оперативная память обходится без кулеров? Почему такой большой разрыв в производительности между мобильными и немобильными процессорами, ведь у них даже размер кристаллов не сильно отличается по размеру? Почему недавний скачок производительности, обусловленный появлением новых поколений чипов, начал замедляться?

Ответ на все эти вопросы кроется в физике процессов на наноуровне и температурах при них. В этой статье будут рассмотрены основы науки о тепле, как и почему нагреваются элементы электроники, а также различные методы теплоконтроля, которыми мы сегодня располагаем.

Основы тепловыделения

Из курса школьной физики мы помним, что тепло – это попросту результат хаотично двигающихся атомов и молекул, из которых наш мир состоит. Если одна молекула имеет более высокую кинетическую энергию, чем другая, тогда мы говорим, что она горячее. Это тепло может контактно передаваться от одного объекта к другому, пока температуры обоих объектов не сравняются. То есть, более горячий объект передаст часть своего тепла более холодному, а конечным результатом будет усредненная температура.

Время, необходимое для передачи тепла, зависит от теплопроводности двух материалов. Теплопроводность является количественной характеристикой способности материала проводить тепло. Изолятор, такой как пенополистирол, имеет относительно низкую теплопроводность, равную 0.03 Вт/м*К, в то время как проводник, например медь, имеет высокую теплопроводность, равную 400 Вт/м*К. Минимальная теплопроводность – у абсолютного вакуума (нулевая), а максимальная известная теплопроводность – у алмаза (свыше 2000 Вт/м*К).

Теплые объекты всегда охлаждаются, но следует помнить, что понятия «холод» не существует. Мы лишь называем вещи «холодными», если их температура ниже температуры среды. Другим важным определением, которое нам понадобится, является термальная масса, которая представляет собой тепловую инерцию объекта по отношению к колебаниям температуры. Одна и та же печь обогреет одну комнату в доме намного быстрее, чем весь дом. Это потому, что термальная масса комнаты намного меньше термальной массы всего дома.

Наглядно продемонстрировать всё это можно на простом примере с кипящей водой. Пламя горелки вступает в контакт с кастрюлей. Поскольку материал, из которого изготовлена кастрюля, обладает хорошей теплопроводностью, тепло от огня будет передаваться воде до тех пор, пока она не закипит.

Время, необходимое для закипания, зависит от способа нагрева, материала кастрюли и количества воды. Если вы попытаетесь вскипятить эту кастрюлю не на печи, а с помощью зажигалки, то ждать вам придётся приблизительно вечность. Это потому, что у печи гораздо более высокая тепловая мощность, чем у маленькой зажигалки. Далее, ваша вода закипит быстрее, если кастрюля будет иметь высокую теплопроводность, потому что нужно передать воде как можно больше тепла. Если вы достаточно богаты, рассмотрите вариант покупки алмазной кастрюли. И наконец, мы знаем, что маленькая кастрюлька воды закипит быстрее, чем большая. Это потому, что в маленькой кастрюльке меньше нагреваемой термальной массы.

Вскипятив воду, вы можете позволить ей естественным образом остыть, прекратив нагрев. Остывание происходит из-за того, что тепло от воды рассеивается в более холодном воздухе кухни. И поскольку термальная масса кухни значительно больше, чем у кастрюли, температура воздуха кухни не сильно изменится.

Откуда берется тепло

Теперь, когда мы знаем, как ведёт себя тепло и как оно перемещается от объекта к объекту, давайте поговорим о том, откуда оно берётся. Вся цифровая электроника состоит из миллионов и миллиардов транзисторов. Подробно о том, как они работают, можно узнать из третьей части цикла, посвященного разработке процессоров.

По сути, транзисторы представляют собой переключатели с электрическим управлением, которые включаются и выключаются миллиарды раз в секунду. Комбинируя и группируя их, мы можем формировать структуры компьютерного чипа.

Транзисторы при работе накапливают энергию от трех источников, известных как переключение, короткое замыкание и токи утечки. Переключение и замыкание – динамические источники тепла, поскольку они зависят от включений-выключений транзисторов. Энергия токов утечки известна как статическая, поскольку она постоянна и работа транзисторов на нее не влияет.

Логический гейт НЕ, построенный на двух транзисторах. Транзистор nMOS (внизу) пропускает ток во включенном состоянии, а pMOS (вверху) – в выключенном.

Начнем с энергии переключения. Чтобы включить или выключить транзистор, нужно подать на его затвор либо отрицательный потенциал, «землю» (логический 0), либо положительный, Vdd (логическая 1). Это посложнее, чем просто щелкнуть выключателем, поскольку этот затвор имеет очень малую емкость. Представьте себе крошечный аккумулятор. Чтобы активировать затвор, нам нужно зарядить батарею на определенный пороговый уровень. Как только нужно будет снова закрыть затвор, нам нужно мгновенно сбросить весь заряд на «землю». В современных чипах таких микроскопических затворов миллиарды, и каждый переключается миллиарды раз в секунду.

При каждом сбросе заряда на «землю», выделяется небольшое количество тепла. Чтобы вычислить мощность переключения, мы перемножаем коэффициент активности (среднее количество переключающихся транзисторов в цикле), частоту, емкость затвора и квадрат напряжения.

Теперь рассмотрим мощность короткого замыкания. Современная цифровая электроника строится на технологии, известной как «комплементарная структура металл-оксид-

полупроводник» (CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductors). Транзисторы устроены таким образом, что никогда не бывает прямого пути для тока к «земле». В приведенном выше примере гейта НЕ используется два комплементарных транзистора. Всякий раз, когда верхний включен – нижний выключен, и наоборот. Это гарантирует, что выходной сигнал равен 0 или 1, и является обратным входному. Транзисторы переключаются очень быстро, но как бы быстро ни переключались, они неизбежно встречаются в средней точке между своими состояниями, на мгновение обеспечивая прямой доступ тока к «земле». Мы можем сколь угодно уменьшать это мгновение, делая транзисторы быстрее и быстрее, но полностью избавиться от него физически невозможно.

Увеличение рабочей частоты микросхемы обусловлено большей скоростью переключения транзисторов, и соответственно – бо́льшим количеством мгновенных микрозамыканий, что и усиливает нагрев чипа. Чтобы найти мощность короткого замыкания, мы перемножаем ток короткого замыкания, рабочее напряжение и частоту переключения.

Оба этих источника тепла – динамическая энергия. Если мы хотим её уменьшить, достаточно просто понизить частоту чипа. Практичным это решение не назвать, так как может пострадать производительность чипа. Другой вариант – уменьшить его рабочее напряжение. Если раньше чипам требовалось от 5 В и выше, то современные процессоры работают на напряжении около 1 В. Создавая энергоэффективные транзисторы, мы можем уменьшить тепловыделение, вызванное динамическими источниками тепла. Динамическая тепловая мощность также является причиной нагрева процессоров при разгоне, ведь разгон подразумевает увеличение частоты, а зачастую также и напряжения – чем они выше, тем больше выделяет тепла каждый такт.

И последний тип тепла, рождаемый цифровой электроникой – это мощность токов утечки. Мы привыкли думать, что транзисторы либо полностью включены, либо выключены, но в действительности это не совсем так. Всегда будет какое-то небольшое количество тока, который протекает, даже когда транзистор выключен. Там очень сложная формула, учитывающая в том числе и размеры: всё бо́льшая миниатюризация транзисторов приводит только к ухудшению этого эффекта.

Становясь всё меньше и меньше, транзистор довольствуется всё меньшим и меньшим изолятором, блокирующим поток электронов при выключении транзистора. Это один из основных факторов, ограничивающих производительность чипов нового поколения, поскольку мощность токов утечки продолжает расти с каждым поколением. Законы физики загнали нас в угол, и из него нам уже не сбежать.

Как не допустить перегрева чипов

Итак, мы выяснили, из-за чего греются полупроводники, но можно ли с этим что-то сделать? Если эту проблему не решить, то транзисторы перегреются и выйдут из строя. В процессорах встроена функция термической защиты процессора – Thermal throttling, она срабатывает в случае, если не обеспечено достаточного охлаждения. Установленные в чипе термодатчики следят за температурой кристалла, и если она повышается выше допущенной, процессор автоматически понижает свою рабочую частоту, снижая уровень тепловыделения. Но такое купирование производительности в восторг никого не приведёт, и есть множество лучших способов справиться с нежелательным нагревом в компьютерной системе.

Многие микросхемы вовсе не нуждаются ни в каких заморочках с охлаждением. На материнской плате вы найдёте десятки таких маленьких чипов без радиаторов. Почему они не плавятся?

Прежде всего потому, что просто не нагреваются до такой степени. Большие мощные CPU и GPU могут расходовать сотни ватт энергии, в то время как небольшая микросхема сетевого адаптера или аудиоконтроллера довольствуется долей ватта. В этом случае чипу хватит собственного корпуса, чтобы отвести на него тепло. Задуматься о каком-то дополнительном охлаждении чипа стоит только, если его мощность превышает 1 Вт.

Обзор и тестирование процессора Intel Core i7-8700K: 5 ГГц на 12 потоках?

Суть проблемы в том, чтобы снизить термосопротивление между проводниками до минимума. Необходимо создать кратчайший беспрепятственный путь теплу от кристалла до воздуха. Именно поэтому CPU и GPU оснащаются металлической поверхностью сверху – встроенным теплоотводом (IHS, Integrated Heat Spreader). Сам чип внутри, как таковой, намного меньше своего корпуса, но чем больше площадь IHS, тем эффективней можно распределить и отвести тепло. Важно также использовать хорошее термосоединение между IHS чипа и кулером, без него тепло не сможет беспрепятственно перетекать на радиатор.

Существуют два основных режима охлаждения: пассивный и активный. Пассивное охлаждение – это простой радиатор, прикрепленный к чипу, который охлаждается потоком окружающего воздуха. Чем выше теплопроводность материала радиатора и чем больше площадь его поверхности, тем эффективней тепло будет отводиться от чипа и рассеиваться в окружающем воздухе.

Регуляторы напряжения и микросхемы памяти обычно обходятся без охлаждения, поскольку сильно не нагреваются. Процессоры смартфонов как правило оснащаются пассивным охлаждением, так как они рассчитаны на очень низкое энергопотребление. Чем выше производительность чипа, тем больше тепловой энергии он будет выделять и тем больший радиатор ему потребуется. Вот почему процессоры смартфонов слабее процессоров настольных компьютеров – кулеры и радиаторы невозможно миниатюризировать.

Тепловой снимок процессора смартфона с пассивной системой охлаждения: охлаждающая жидкость (Liquid line), испаритель (Evaporator), пароотвод (Vapor line), теплорассеивающая поверхность (Thermal diffusion plate).

Когда речь заходит о десятках ватт, задействуется активное охлаждение. Активно нагнетая потоки холодного воздуха в ореберье радиатора (обычно с помощью вентилятора), система справляется с несколькими сотнями ватт. Чтобы обеспечить такое мощное охлаждение, необходимо, чтобы тепло от чипа равномерно распространилось по всей поверхности радиатора. Мало толку в огромном радиаторе, если нет возможности доставить к нему тепло.

Здесь на помощь приходят тепловые трубки и жидкостное охлаждение. Они выполняют одну и ту же задачу – передать максимально возможное количества тепла от чипа к теплоотводу или радиатору. В случае с жидкостным охлаждением, тепло передается от чипа к водоблоку через термосоединение с высокой теплопроводностью. Как правило, водоблок изготавливается из меди или другого материала с высокой теплопроводностью. Нагревшаяся жидкость переносит тепло к радиатору, который рассеивает его. Тепловые трубки типичны для небольших систем, таких как ноутбуки, где невозможно реализовать полностью жидкостное охлаждение. Тепловая трубка на порядок-два эффективней отводит тепло от чипа, чем обычная медная трубка.

Тепловая трубка очень похожа на жидкостное охлаждение, но её отличает наличие фазового перехода для улучшения теплопередачи. Внутри тепловых трубок находится жидкость, которая при нагревании превращается в пар. Пар проходит по тепловой трубке, пока не достигнет холодного конца, и не конденсируется обратно в жидкость. Жидкость возвращается в горячий конец под действием силы тяжести или капиллярного эффекта. Такое испарительное охлаждение знакомо нам по эффекту, когда вы чувствуете холод при выходе из воды. Во всех этих случаях жидкость поглощает тепло в процессе превращения в пар, а затем пар отдаёт тепло в процессе конденсации.

Цикл работы тепловой трубки:

1. Рабочая жидкость испаряется, поглощая тепловую энергию.
2. Пар устремляется к холодному концу трубки по полости (Vapour cavity).
3. Там пар конденсируется обратно в жидкость, впитываемую тампоном (Wick), а тепловая энергия передаётся корпусу (Casing).
4. Рабочая жидкость возвращается обратно к концу с более высокой температурой.

Теперь, когда мы передали тепло от чипа к тепловой трубке или жидкости, как мы рассеем его в воздухе? С помощью рёбер радиатора. Трубка с водой или тепловая трубка и сами отдают часть тепла в окружающий воздух, но этого недостаточно. Чтобы действительно охладить теплопроводник, необходимо увеличить площадь поверхности охлаждения.

Теплоотвод или тонкие ребра радиатора распределяют тепло по большой площади поверхности, что позволяет вентилятору эффективно отводить его. Чем тоньше ребра, тем бо́льшую площадь поверхности можно создать в пределах заданных размеров. Но чересчур тонкие рёбра не смогут обеспечить достаточного контакта с тепловой трубкой, чтобы отвести от неё тепло. Необходимо грамотно сбалансировать эти параметры. Известны случаи, когда большой кулер работает хуже меньшего по размерам, но более оптимизированного кулера. Некто Стив из Gamers Nexus составил отличную схему, демонстрирующую принцип работы типичного радиатора.

Анатомия радиатора (Gamers Nexus)

• Condenser – Конденсатор.
• Capillary action in pipe – Капиллярный эффект в трубке.
• Intake action cools fins – Внешняя среда охлаждает рёбра.
• Heat exhausts – Рассеивание тепла.
• Heat dissipates into fins from pipe – Тепло отводится на ребра от трубок.
• Liquid turns to gas at heat source – Жидкость переходит в газообразное состояние в контакте с источником тепла.
• Heatpipes directly contact CPU surface – Тепловые трубки непосредственно контактируют с поверхностью процессора.
• Evaporator – Испаритель.

Как сделать еще холоднее

Способы охлаждения, о которых мы рассказали, основаны на простой передаче тепла от чипа в воздух. То есть, чип никогда не будет холоднее температуры воздуха в помещении, где он находится. Но если нам нужно что-то охладить до температуры ниже окружающей среды или если у нас слишком много источников тепла (например, дата-центр), то нам понадобятся дополнительные знания. Речь пойдёт о холодильных системах (чиллерах) и термоэлектрических кулерах.

Термоэлектрическое охлаждение, также известное как эффект Пельтье, в настоящее время не очень популярно, но потенциально может быть очень полезным. Эти устройства передают тепло от одной стороны охлаждающей пластины к другой с помощью электричества. В них используется специальный термоэлектрический материал, создающий разность температур под воздействием электрического потенциала. Когда постоянный ток протекает через одну сторону устройства, тепло передается на другую сторону. Это и позволяет «холодной» стороне опуститься ниже температуры окружающей среды. В настоящее время эти устройства очень нишевые, поскольку весьма энергозатратны, но тем не менее, инженеры продолжают работать над созданием более эффективных и экономичных моделей таких устройств для общего рынка.

Подобно тому, как с помощью переходов между состояниями вещества передаётся тепло, изменение давления жидкости также может использоваться для теплопередачи. Так работают холодильники, кондиционеры и большинство других климатических систем.

Специальный хладагент течет через замкнутый контур, в котором он начинается в виде пара, затем сжимается, конденсируется в жидкость, снова расширяется и испаряется обратно в пар. Этот цикл повторяется, обеспечивая теплопередачу. Компрессор требует энергии, но такая система также позволяет получить температуру ниже окружающей среды. Вот так дата-центры и здания остаются прохладными даже в самый жаркий летний день.

Схема стандартной одноступенчатой парокомпрессорной холодильной установки. Конденсатор может быть как жидкостный, так и воздушный. На схеме: компрессор (Compressor), конденсатор (Condenser), испаритель (Evaporator), регулирующий клапан (Expansion Valve), вентилятор (Fan), пар (Vapor), жидкость (Liquid), теплый воздух (Warm air), холодный воздух (Cold air).

Такого рода системы охлаждения – как правило, вторичные в отношении электроники. Вы сначала отводите тепло от чипа в комнату, а затем из комнаты наружу через парокомпрессионную систему. Конечно, есть гики, помешанные на разгонах и производительности, которые к своим процессорам подключают всякие холодильные системы. Экстренно охладить электронику им помогает также жидкий азот и сухой лед.

Заключение

Итак, электроника нуждается в охлаждении, и охлаждение бывает разных видов. Задача состоит в том, чтобы отвести тепло от микросхемы или какой-либо системы в более прохладную среду. Насамом деле невозможно избавиться от тепла, поэтому все, что мы можем сделать, это переместить его куда-нибудь, чтобы оно перестало быть проблемой.

Вся цифровая электроника выделяет тепло благодаря природе работы транзисторов. Если не избавлять их от этого тепла, полупроводник сгорит и весь чип может выйти из строя. Тепло – враг всех разработчиков электроники и является одним из ключевых факторов, сдерживающих рост производительности. Мы не можем делать процессоры сколь угодно большими, потому что нет хорошего способа охладить что-то такое мощное. Вы просто не сможете избавить их от выделяемой ими тепловой энергии.

Надеюсь, теперь вы стали лучше разбираться в этой науке, которая заботится о температуре вашей электроники

Тепловое проектирование: отведите тепло от вашей электроники

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).

Рисунок 1.	Этот 5-вольтовый стабилизатор может отдавать больше мощности, когда привинчен к алюминиевому радиатору с использованием теплопроводящей пасты.​

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.

Рисунок 2.	Уэйн Ямагути обнаружил, что Linear Technology сделала проектирование схемы для его набора LED Maglite простым; бóльшая часть работы пришлась на тепловое проектирование.

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.

Рисунок 3.	В этом случае отвести тепло от SMD компонентов помогает Linear Technology, поэтому алюминиевый радиатор вам не нужен.

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.

Рисунок 4.	Корпус CanPAK компании Infineon передает тепло от кристалла на печатную плату через широкую металлическую крышку.

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.

Рисунок 5.	П-образные радиаторы отводят тепло от печатной платы и допускают автоматическую сборку. (Фото Fischer Elektronik).

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.

Рисунок 6.	Печатные платы с металлическим основанием часто являются единственным способом отвода достаточного количества тепла от светодиодных схем. (Фото Bergquist/Henkel).

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.

Рисунок 8.	Отмар Ибинхоич возле своего сдвоенного пре образователя для Porsche 914.

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.

Об охладе на ПК — от способов нанесения термопасты до СЖО

Часто ли вы задумываетесь об охлаждении вашего ПК? Ведь ни для кого не секрет, что эволюция разработки процессоров привела к тому, что на смену 4-ядерным «камням» пришли 8-, 10- и 16-ядерные процессоры. В настоящее время, процессоры с частотой в 5 ГГц потребляют 200 Вт+ и выделяют равнозначное количество тепла , доставляя пользователям, которые уделяют особое внимание производительности, ряд проблем по их охлаждению и рассеиванию.

реклама

Установленная на мат плату «вода»

Среди энтузиастов есть два лагеря. Одни предпочитают охлаждать процессор с помощью так называемого воздушного кулера, другие – в том числе и геймеры – предпочитают водяное или жидкостное охлаждение. Последнее кажется более популярным решением из-за более высоких показателей эффективности. Однако, как показывает практика, оптимальный выбор зависит исключительно от ваших потребностей. Тем не менее, вот несколько советов, которые помогут вам найти наилучшее решение.

Воздушный кулер

Принцип работы воздушного охлаждения довольно прост. Во время работы тепловые трубки кулера направляет тепло, идущие снизу, к радиатору, где оно и рассеивается. Следовательно, для воздушного кулера критически важно иметь хорошую теплопоглощающую основу, изготовляемую как правило из чистой меди, благодаря ее оптимальному поглощению тепла и теплопроводности.

реклама

Наненесение термопасты

Основание воздушного кулера обычно изготавливается из цельного куска чистой меди, но некоторые используют технологию прямого контакта тепловых трубок (HPDT), которая была довольно популярна в период с 2007 по 2012 год. Согласно заявлениям из той эпохи, площадь контакта между основанием и тепловой трубкой не была идеальной из-за ограничений производственного процесса, в связи с чем имели место быть проблемы с рассеиванием тепла. Однако, непосредственный контакт тепловой трубки с верхней крышкой процессора мог бы нивелировать эти проблемы. Данная концепция была очень популярна в то время, и многие производители выпускали продукты, следуя этой логике.

Однако через некоторое время люди стали замечать недостатки наличия прямого контакта с тепловой трубкой. Будучи спроектированной в форме вакуума, толщина трубки была ограниченной, что привело к следующим проблемам. Во-первых, тепловая трубка должна быть сплющена, чтобы покрыть всю площадь процессора. Из-за этого прочность трубки могла уменьшиться и через долгое время могла деформироваться, что в свою очередь могло привести к ослаблению контакта между процессором и радиатором и тем самым снизить эффективность отвода тепла. Во-вторых, площади поверхности процессоров могут отличаться друг от друга, как, собственно, и расположение самого кристалла CPU. Некоторые процессоры с большой площадью поверхности могут быть полностью закрыты основанием, но тепловая трубка кулера может не касаться источника нагрева более мелких ЦП. Стоит, однако, отметить, что кулеры с основаниями из чистой меди такой проблемы не имеют, поэтому большинство современных воздушных систем охлаждения среднего и высокого класса имеют основания медное основание, в добавок с никелированным покрытием.

реклама

После завершения процесса поглощения тепла в основании, тепловая энергия передается на ребра радиатора через тепловую трубку. На эффективность теплопроводности здесь влияет множество вещей, таких как способ организации контакта между радиатором и тепловой трубкой: простой охват, окольцевание, пайка. В целом, оптимальным вариантом здесь считается пайка оплавлением, но тут очень много зависит от качества реализации.

Теперь о том, что касается тепловых трубок. Их количество и толщина являются чуть ли не базовыми стандартами измерения теплопроводности. Как правило, кулеры среднего уровня оснащены шестью тепловыми трубками, а высокопроизводительные кулеры — семью или восьми. Соответственно, чем больше тепловых трубок, тем лучше показатели распределения тепла. На это также влияет уровень изгиба и размещения самой трубки.

Ну и наконец, финальным этапом охлаждения является рассеивание тепла с помощью вентилятора, расположенного непосредственно на радиаторе. Производительность вентилятора зависит от конструкции и скорости вращения его лопастей. Для некоторых фанатов важным параметром здесь является низкий уровень шума. Для них не так важны такие параметры, как скорость вращения лопастей вентилятора и сила исходящего воздушного потока. Другие пользователи наоборот делают акцент на воздушном потоке, подчеркивая, что весь радиатор можно продуть спереди, а сзади при необходимости добавить вторую вертушку. Вентилятор помогает отводить тепло от ребер радиатора, тем самым эффективно снижая температуру процессора.

Стоит, однако, учитывать, что системы воздушного охлаждения могут быть эффективными лишь тогда, когда площадь рассеивания тепла является большой. Вот почему многие кулеры среднего и высокого ценового сегмента имеют однобашенную конструкцию, рассчитанную на установку 140 мм вентилятора или же конструкцию двойной башни. И похоже, что развитие систем воздушного охлаждения достигло своего пика. Основная причина кроется в том, что площадь радиатора ограничена шириной корпуса ПК, размерами радиатора подсистемы питания VRM материнской платы, высотой модулей памяти и размером видеокарты. По этой причине, в будущем производители будут стремиться найти решение, которое позволит увеличить производительность в условиях ограниченного пространства.

реклама

Системы Жидкостного Охлаждения (СЖО) функционируют с использованием жидкого хладагента. Принцип работы жидкостного охлаждения мало чем отличается от воздушного. Главная задача СЖО — отвести тепло от процессора и затем рассеять, прогнав его через помпу в радиатор.

СЖО MEG CORELIQUID S

Что касается роли хладагента, то он выполняет функции теплоносителя, переводя тепло от процессора к радиатору через соединительные трубки: сам радиатор охлаждается с помощью вентиляторов. Главным же преимуществом СЖО является большая теплоемкость хладагента. Из-за этого, а также благодаря большей площади рассеивания тепла СЖО считаются более эффективными, чем обычные воздушные кулеры.

В целом, теплопроводность хладагента примерно в 4 раза выше, чем у воздуха. Ранее мы упоминали проблему, связанную с площадью рассеивания тепла у воздушных кулеров. Смотрите сами: системы жидкостного охлаждения могут быть оснащены радиаторами размером 240 мм, 280 мм и 360 мм, так как СЖО не ограничены теми рамками и пространством, которые есть у воздушных кулеров. Конечно, если оснастить «водянку» 120-мм радиатором, ее производительность не будет столь же хороша, как производительность воздушного кулера среднего звена.

Современные системы охлаждения синхронизируют подстветку с другими компонентами

Как уже было отмечено, воздушные и жидкостные системы охлаждения имеют свои плюсы и минусы. Сильной стороной воздушного кулера является его долговечность. Его можно использовать в течение длительного периода времени. Однако недостатки у воздушного кулера тоже имеются. Например, он занимает большое пространство, потенциально блокируя оперативную память, и видеокарту, и M.2 слоты. Эффективность рассеивания тепла у кулера не столь хороша, как у СЖО. Хм, тогда Вы можете задаться вопросом, что лучше, обычная готовая «водянка» или кастомная «вода»? Ответ здесь довольно простой; одна может похвастаться удобством установки, вторая – повышенной эффективностью благодаря увеличенному объему хладагента. Выбирать Вам! Подробнее об этом мы поговорим чуть ниже.

По итогу мы имеем следующее: главная задача СЖО — отвести тепло от процессора с помощью помпы по трубкам в радиатор и рассеять его с помощью вентиляторов. Хладагент здесь играет роль теплоносителя, который благодаря своей высокой теплоемкости обеспечивает эффективное рассеивание тепла. Все это касается как готовых AIO «водянок», так и кастомных систем охлаждения, единственное принципиальное различие между ними кроется в архитектуре.

Тепловые трубки – это панацея?

Мнение о том, что СЖО полностью вытеснят с рынка воздушные кулеры, обсуждается уже много лет. С течением времени воздушным кулерам становилось труднее справляться с мощностями процессоров. Ранее стратегия производителей кулеров заключалась в использовании радиатора из чистой меди. Ведь не секрет, что теплопроводность меди намного лучше, чем у алюминия, поэтому в свое время «мейнстримом» считался радиатор из чистой меди + большой вентилятор.

Однако с усовершенствованием технологии тепловых трубок производительность кулеров значительно улучшилась. Принцип работы тепловых трубок заключается в том, что жидкий теплоноситель (специальная жидкость) испаряется на одном конце и затем конденсируется на другом. После охлаждения он снова переходит в жидкую форму и течет обратно к нагревательному концу, повторяя цикл, создавая непрерывный процесс испарения и конденсации жидкого вещества. Эффективность тепловой трубки настолько высока, что большинство лучших радиаторов на рынке используют тепловую трубку, а эффективность рассеивания тепла зависит в том числе (но не обязательно) и от количества тепловых трубок.

В эпоху 4-ядерных процессоров рабочая частота, как правило, ниже 3 ГГц, а разгон не очень высок, энергопотребление и тепловыделение не достигают запредельных значений. Воздушные кулеры с технологией тепловых трубок прекрасно справляются с мощностями подобных процессоров. Следовательно, массовый рынок еще не ощутил в полной мере преимуществ систем жидкостного охлаждения. Однако в последние годы, когда требования к производительности, ядрам ЦП и частоте ЦП выросли, СЖО становятся все более популярными.

Кастомное СЖО

Набор для сборки кастомной «водянки»

Поговорив о развитии рынка и эволюции воздушных и жидкостных кулерах, давайте вернемся к теме AIO и кастомных решений. Как следует из названия, кастомное СЖО состоит из отдельных и независимых частей, поэтому пользователям необходимо собирать их самостоятельно. Наиболее важными компонентами являются водоблок, резервуар, помпа (насос), радиатор, вентиляторы, фитинги, трубки и конечно же хладагент. Обратите внимание, что иногда резервуар и помпа объединены. Все компоненты жидкостных охладителей с открытым контуром различных брендов упакованы вместе для удобства установки и использования. Конечно, некоторые пользователи могут сами выбирать комплектующие и собирать их самостоятельно. Помимо резервуара, насоса, водоблока и радиатора, им также необходимо будет купить вентили, соединительные блоки, датчики водяного потока, термометр и т.д.

После сборки этих компонентов им потребуется крепление для водопроводных трубок и ряд других аксессуаров, которые помогут предотвратить падение и протечку. Перед использованием в систему жидкостного охлаждения следует залить жидкий хладагент. Затем следует провести ряд рабочих тестов, чтобы убедиться в исправности системы и отсутствии протечек. Ведь в случае их наличия, ка, материнская плата, видеокарта и даже накопители M.2 подвергнутся серьезному риску.

Типы трубок: гибкие и жесткие

Пример сборки с кастомной СЖО

Кастомные системы охлаждения имеют два типа трубок: гибкие и жесткие. Гибкая трубка обычно изготавливается из ПВХ, полиуретана и других материалов. Преимущество ПВХ в том, что он более гибкий и лучше гнется. Жесткие трубки обычно изготавливаются из пластика (PETG), акрила и других материалов. Для жестких трубок необходимо заранее спланировать разводку и приобрести инструменты для загиба трубок. Жесткая трубка выглядит лучше и может сочетаться с различными периферийными устройствами, такими как датчики воды и резервуары для воды. Однако их установку лучше доверить профессионалу. Мягкие трубки установить гораздо легче, поэтому тут можно справиться самостоятельно.

AIO-РЕШЕНИЯ

Теперь давайте поговорим о жидкостном охлаждении в формате «все-в-одном». Примерно в 2011 году на рынке начали появляться жидкостные кулеры «AIO» первого поколения. Модульная конструкция водоблока, а также радиатора упрощает процесс монтажа. Спустя более десяти лет разработки современные модели СЖО формата «AIO» стали очень зрелым продуктом, а решение со встроенным водяным насосом, стало доминирующим на рынке. Пользователям остается лишь установить вентилятор на радиатор, а затем установить «водянку» в корпус. Самым большим преимуществом СЖО AIO является то, что его установка не требует особых усилий и не занимает много времени.

У данного типа СЖО есть две общие конструкции водяных насосов. Один, как у MAG CORELIQUID C360/P360, с помпой водяного охлаждения, встроенной в радиатор. При данной конструкции пространство и производительность будут затронуты в большей или меньшей степени, но такая конструкция может снизить уровень вибраций, а также уменьшить вероятность утечки жидкости и сделать водоблок тоньше.

Другое решение предполагает, что водяной насос встроен непосредственно в водяной блок. Ярким примером здесь служат «водянки» от Asetek. И так как помпа в таких водянках находится в специально выделенном блоке, то ее производительность и эффективность выше.

Кроме того, чтобы современные СЖО могут также похвастаться наличием ЖК-экранов и ARBG подсветки, что дает пользователю собрать ПК на любой вкус.

Примером подобной «водянки» является MEG CORELIQUID S360 от MSI. Ее водоблок оборудован 2,4-дюймовым IPS-дисплеем, который можно использовать для отображения полезной информации – частота процессора, температура и GIF. Кроме того, водоблок оснащен дополнительным 6-сантиметровым вентилятором, который способен гарантировать эффективное охлаждение зоны VRM материнской платы.

Резюме — производительность или удобство

материнская плата для кастомного охлаждения

Преимущество жидкостного охлаждения с кастомным контуром заключается в наличие большего количества хладагента, что в теории приводит к лучшему охлаждению. С помощью мощной помпы тепло можно быстро отвести от процессора, а некоторые водоблоки можно даже кастомизировать. Так, на материнскую плату MPG Z690 CARBON EK X можно установить довольно-таки большой водоблок, который будет занимать существенное пространство. Однако игра стоит свеч, ведь большой размер в данном случае приводит к увеличенному объему хладагента, что в свою очередь приводит к более эффективному охлаждению Обычные водянки таким преимуществом похвастаться не могут, ведь они банально меньше по размеру, а значит имеют более низкую производительность и объём хладагента.

Но свои «фишки» есть и у жидкостного охлаждения формата AIO, главной из которых является удобство. Установка займет минимум времени. В лучшем случае необходимо будет подключить несколько вентиляторов и кабели ARGB. Хотя производительность не сравнима с производительностью кастомной «водянки», она все же более чем достаточна, чем у большинства воздушных кулеров.