Essay über Planarität

Low Profile oder dringend schlank werden!

Was würden Sie tun, wenn Sie ein Leistungsmodul in einer geometrischen Form mit einer bestimmten Länge, Breite und Höhe (oder Dicke – es wird als Profil bezeichnet) hätten? Es hat kein konduktive Kühlsystem sonder nur einen schwachen Lüfter und Umgebungsluft. Dabei  zum idealen Wirkungsgrad = 1 weit entfernt und es wird hohe Wärme freigesetzt?

Richtig, Sie nehmen einen sogenannten Hammer und fangen an, das Modul zu quetschen, um die Höhe – das Profil – zu verringern. Nichts, wenn das Modul in die Länge oder Breite oder in beide Parameter sich vergrößert. Wichtig ist dabei, dass die Kühlfläche zunimmt. Irgendwann werden Sie zufrieden – sowohl der schwache Lüfter als auch die Umgebungsluft werden funktionieren, die Wärme wird effizient abgeführt und die Zuverlässigkeit des Moduls wird dramatisch steigen (die Reduzierung der Überhitzung um jeweils 10 Grad verlängert mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen in zwei Mal!).

Und wenn Sie mit solcher Nachhaltigkeit Ihre Arbeit fortsetzen – Sie werden das Ideal erreichen – das Profil wird gleich Null, die Oberfläche wird gleich unendlich. Die Ventilatorsstärke oder die Anwesenheit von Luft spielt keine Rolle mehr – im Weltraum oder im Vakuum wäre die Kühlung des Geräts hervorragend! So haben wir eine Methode erfunden, um ein Modul zu erhalten, dass kein Kühlsystem benötigt!

Ein Witz, in dem nur ein Teil des Witzes gibt.

Wenn Sie amüsiert sind, dann weiter zum Aufsatz!

Beginnen wir mit dem, was direkt Low-Profile (LP) oder noch richtiger – Planarität ergibt.

  1. An der Oberfläche liegt die These über Planarität, als ein sehr wünschenswerter Konstruktionsparameter. Tatsache ist, dass Stromversorgungsmodule in den meisten Fällen die dicksten Elemente der Konstruktion sind und werden sehr schlecht mit anderen Mikroelektronikgeräten zusammengebaut. Und ein dünnes Gerät findet in modernen Geräten leichter sein Platz.
  2. Die Situation mit der Komplexität der Anordnung wird noch problematische, wenn zusammen mit dem Stromversorgungsmodul der Kühler platziert werden muss, an dem das Modul angebracht ist.  Natürlich ist es besser, dem Kühler die maximale Dicke zu abgeben und das Modul selbst sollte auf dem Kühler so flach wie möglich sein, bzw. ihn planar machen.
  3. Es gibt keine offensichtlichen, aber sehr wichtige Gründe für den Kampf um Planarität der Stromversorgungsmodule. Siehe Abb. 1. Zwei Module mit äquivalenter Verlustleistung, Länge und Breite, jedoch unterschiedlichem Profil werden auf einem Kühlkörper platziert.  Das erste Modul eines Konkurrenten ist stammförmig, seine Höhe (Dicke, Profil) ist 50 mm. Das zweite Modul ist vom planaren Typ, d.h. es hat ein niedriges Profil und eine Dicke von 38 mm.

Abb.1.

 

Rote Kreise zeigen üblicherweise Wärmekonzentratoren im mittleren Teil des Gehäuses, es können beispielsweise Transformatoren, Drosseln, Elektrolytkondensatoren, Thermistoren usw. sein. Es ist äußerst wichtig, zu verhindern, dass sich diese Elemente über eine kritische Temperatur von beispielsweise + 100 ° C erwärmen.

Es ist offensichtlich (Abb. 1), dass der Wärmepfad h1 für ein dickes Modul viel länger ist, als für Low-Profile-Planarmodul h2, deswegen für Low-Profile-Modul für die Erhaltung einer Temperaturgrenze von 100 ° C innerhalb der Konstruktion, eine höhere Temperatur am Kühler 84 ° C möglich wäre, im Gegensatz zu der linken Konstruktion, die am Kühler 78 ° C hat. Weiter ist alles einfach – die Umgebungsluft hat zum Beispiel eine Temperatur von 60 ° C, dann arbeitet der linke Kühler mit einer Überhitzung gegenüber der Umgebung von 18 ° C und der rechte Kühler mit einer Überhitzung gegenüber der Umgebung von 24 ° C.

Daher bei gleicher Leistung der Module, z.B. 100 W, der Wärmewiderstand des linken Kuhlers sollte 18/100 = 0,18 ° C / W sein und des rechten Kühlers 24/100 = 0,24 ⁰С / W. Und das bedeutet, dass Sie für ein dickes Stromversorgungsmodul einen etwa 30% massiver Kühler benötigen als für ein planares!

Genau deswegen wird der Kühler zusammen mit dem Netzteilmodul bei der richtigen, flachen planaren Ausführung in Größe und Gewicht deutlich kleiner. Stellen Sie sich vor, wie das auf mobile Produkte auswirken könnte, z.B. auf Drone.

  1.  Eine sehr wichtige Frage ist, was tun mit der Wärme, die nicht zum Kühler geht (z.B. von flüssiger Art), sondern in die entgegengesetzte Richtung. Aufgrund dieser „parasitären“ Wärme muss neben der Flüssigkeitskühlung eine zusätzliche Kühlung hinzugefügt werden, z.B. ein Lüfter. Wenn man bedenkt, dass in dicken Konstruktionen der Stromversorgungsmodulen die „parasitäre“ Wärme einen Teil von 15 – 25% ausmachen kann, wird dieses Problem zu einem sehr unangenehmen, die Zuverlässigkeit verringernden Faktor, denn ins Gerät mechanische Geräte – Lüfter hinzugefügt werden müssen. Mit solchen Problemen musste ich mich bei der Entwicklung von Stromversorgungssystemen für Supercomputer und phasengesteuerte Antennenradargitter auseinandersetzen. Aufgrund der Verwendung von flachen Stromversorgungsmodulen ist ziemlich leicht den Grad der parasitären Wärme auf 5 … 7% zu bringen, in diesem Fall außer der Ventilatorenbenutzung entstehen andere Möglichkeiten zur Wärmeabfuhr, z.B. konvektionelle. 

Für AEPS-GROUP-Produkte gaben wir den Befehl – dringen schlank werden!  Wir möchten Sie auf Module mit einem Index LP aufmerksam machen.

Die genannten Vorteile der planaren Ausführung der Stromversorgungsmodule sind nicht die einzigen. Bei einem Trefen werde ich über andere erzählen.

Generaldesigner der AEPS-GROUP Alexander Goncharov