Descripción General de los Principios y Conceptos Básicos del Diseño del Disipador de Calor

CircuitStudio

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Toqué un instrumento musical en la universidad, y mi maestra siempre me decía: "¡No hagas chapuzas!" Eso se tradujo en practicar durante horas hasta que pude tocar cualquier escala y sus variaciones sin apenas pensarlo. Es importante que los ingenieros eléctricos recuerden los conceptos básicos y cómo afectan nuestro trabajo. Normalmente trabajo con sistemas de alto nivel, y es fácil olvidar los principios simples que informan las aplicaciones avanzadas. Cuando se trata de la gestión térmica y los disipadores de calor, las tres cosas principales a recordar son: convección, conducción y radiación. Estos tres fundamentos afectarán cosas como la colocación y orientación de alerones, los materiales de interfaz térmica (TIM) y el tratamiento de la superficie del disipador de calor. Una vez que estés actualizado sobre cómo se combinan todos estos elementos, el diseño del disipador de calor será muy sencillo.

Convección 

Otro pequeño tesoro de mi maestra fue, "la música no debería sentirse forzada". Bueno, eso no se aplica necesariamente a la convección. Puedes tener dos tipos de convección en tu placa: natural y forzada. La convección natural no utiliza ventiladores ni fuerza externa para mover el aire. En cambio, se basa en las corrientes de convección que ocurren naturalmente en un fluido calentado diferencialmente. Este proceso pasivo no consume energía, pero también puede ser un poco lento para enfriar las cosas. La convección forzada es todo lo contrario, utiliza una fuerza externa para mover el aire. Por lo general, esta fuerza sería algo así como un ventilador. Con este método, debes impulsar la fuerza externa, pero a cambio obtienes un enfriamiento más rápido. Curiosamente, la forma que elijas tendrá un efecto en tu guía de diseño del disipador de calor.

En lo que respecta a la convección natural, debes asegurarte de que tu transferencia de calor y el disipador de calor y los alerones estén colocados para que no inhiban el movimiento del aire. El flujo es bastante débil en un esquema de convección natural, por lo que si se obstruye de alguna manera, su enfriamiento se inhibirá severamente. Al colocar el disipador de calor, debes asegurarte de orientarlo para que el aire pueda subir paralelo a través de los alerones. Tener los alerones perpendiculares al flujo de aire es como intentar tocar un instrumento mientras estás haciendo el pino, no funciona. Para los alerones en sí, debes usar un patrón de colocación disperso. Si están densamente agrupados, inhibirán la convección.

Cuando se trata de convección forzada, las cosas son a la vez más simples y complejas. El flujo de aire está garantizado, solo se trata de optimizarlo. Como antes, querrás orientar tu disipador de calor para que el aire pase paralelo a los alerones. Diseñar los alerones es donde las cosas se ponen un poco difíciles. Las principales preocupaciones con la convección forzada son la caída de presión y la pérdida. Si tus aletas son demasiado altas o demasiado densas, provocarán una caída de presión excesiva en el disipador de calor, lo que provocará un sistema con pérdidas. Si deseas encontrar el tamaño y la ubicación perfectos de la aleta, deberás hacer números.

Conducción

En una orquesta, el director transfiere la instrucción musical por aire a través de su batuta. Es casi como una antena de radio. La conducción en circuitos es exactamente lo contrario. Transfiere calor entre objetos a través del contacto directo. Al lidiar con la conducción, deberás pensar hacia dónde irá tu disipador de calor, de qué estará hecho y qué TIM usarás para unirlo a la placa.

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¡No trates de conducir el calor como el director de orquesta dirige a los músicos!

Colocar el disipador de calor es importante. Deseas maximizar la refrigeración y minimizar el uso del espacio al mismo tiempo. De hecho, probablemente serías más feliz si no tuvieras que usar un disipador de calor. Sin embargo, si tienes que usar uno, lo mejor es hacerlo bien. La ubicación óptima del disipador de calor es en un punto caliente, como un potente circuito integrado (IC) o un difusor térmico que recolecta calor de varias fuentes.

Al elegir tu material hay dos factores principales a considerar: peso y conductividad térmica. El aluminio tiene excelentes características de peso y buena conductividad térmica. El cobre tiene una excelente conductividad de gestión térmica, pero puede ser un poco pesado para tu placa. Si tu disipador de calor es demasiado pesado, puedes estresar tu PCB y causar fallas tempranas.

Por último, pero no menos importante en la conducción, están los TIM. Sin un buen TIM, tu disipador de calor puede ser tan inútil como un jugador de tuba sin labios. Hay una amplia variedad para elegir, y debes investigar para ver cuál es el adecuado para ti.

Radiación

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¡Estos van al 11!

A todos en nuestra banda siempre se les decía que emitieran la mayor cantidad de sonido posible para alcanzar a toda la sala. Todos, excepto los saxofones, tienen un volumen predeterminado de 11. De la misma manera, deseas que tu disipador de calor emita la mayor cantidad de calor posible. Para maximizar la radiación, querrás maximizar el área de superficie y la emisividad de tu disipador de calor.

Mientras más superficie tengas, más se irradiará tu disipador de calor. Sin embargo, recuerda que a veces un aumento en el área de la superficie causará más pérdidas por convección. Por lo tanto, deberás equilibrar el área de superficie con la eficiencia del sistema para encontrar la solución óptima.

La emisividad es la medida de la eficacia con que una superficie transfiere calor al aire. Afortunadamente, puedes maximizar la emisividad sin afectar la convección o la conducción. Puedes tratar fácilmente el exterior de un disipador de calor para aumentar su emisividad. El tratamiento de la superficie puede tener un gran efecto positivo en las características de transferencia térmica de tu disipador de calor, por lo que definitivamente lo recomendaría.

Cuando tocas en un concierto y olvidas lo básico, puedes perderte una nota o dos. Tu director podría ponerse un poco nervioso, pero eso es todo. Perder la noción de los fundamentos al elegir un disipador de calor puede dejarte con una PCB tan caliente que se incendia. Es por eso que es importante utilizar de manera efectiva la convección, la conducción y la radiación para mantener fresca tu placa.

Después de que hayas elegido tu disipador de calor, es posible que necesites ayuda para diseñar el circuito que se va a enfriar. CircuitStudio® es una excelente herramienta de diseño que tiene toneladas de funciones avanzadas para ayudarte con el diseño. Tu trabajo podría ir tan rápido que incluso podrías tener tiempo para tocar un instrumento.

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