Эссе о планарности

Низкий профиль или срочно похудеть!

Как Вы поступите, имея модуль электропитания в виде некоторого геометрического объема со своей длиной, шириной и высотой (или толщиной — она то и называется профиль)? Системы кондуктивного охлаждения нет, а есть слабенький вентилятор и окружающий воздух. При этом до идеального КПД = 1 еще далеко, а тепла выделяется неприятно много?

Правильно — вы возьмете условный молоток и начнете плющить модуль так, чтобы уменьшить его профиль.
Ничего, что у модуля начнет увеличиваться длина или ширина, или оба параметра. Главное, что у него начнет увеличиваться поверхность охлаждения. В какой-то момент вы удовлетворены – и слабенький вентилятор, и просто окружающий воздух заработают, тепло начнет эффективно сниматься, а надежность модуля начнет резко увеличиваться (снижение перегрева на каждые 10 градусов будет давать увеличение времени наработки на отказ вдвое!).

А если с таким упорством вы будете продолжать ваш труд – вы достигнете идеала – профиль станет равен нулю, площадь поверхности станет равна бесконечности. Да, что там вентилятор или воздух – и в космосе в вакууме охлаждение будет отличное! Таким образом, мы изобрели способ получения модуля, не требующего системы охлаждения!

Шутка, в которой есть доля шутки.

Если вас это развеселило, то к барьеру – к эссе!

Начнем с того, что впрямую дает низкопрофильность (LP) или еще более правильно – планарность.

  1. На поверхности лежит тезис о планарности, как о весьма желательном параметре конструкции. Дело в том, что модули электропитания в большинстве случаев являются самыми толстыми элементами конструкции и очень плохо компонуются с другими приборами микроэлектроники. Да и тонкому прибору легче найти место в современной аппаратуре.
  2. Ситуация с трудностью компоновки еще более обостряется, когда совместно с модулем электропитания необходимо разместить радиатор, к которому модуль прикреплен. Конечно, лучше максимум толщины отдать радиатору, а сам модуль максимально распластать на радиаторе, сделать его планарным.
  3. Есть и не очевидные, но очень серьезные доводы для борьбы за планарность модулей электропитания. Посмотрите на рис. 1. Два модуля с одной и той же мощностью рассеивания, с одинаковой длиной и шириной, но с разным профилем стоят на большом радиаторе. Первый модуль условного конкурента – сундукообразный, его профиль (толщина или высота) – 50 мм. Второй модуль планарного типа, т.е. низкопрофильный, имеет толщину 38 мм.

Planarity

Рис. 1.

Красными кружками условно показаны в районе центральной части корпуса концентраторы тепла, например, это могут быть трансформаторы, дроссели, полупроводники, терморезисторы и т.п. Крайне важно не допустить нагрева этих элементов выше какой-то критической температуры, например +100 °C.

Очевидно (рис. 1), что тепловой путь h1 для толстого модуля электропитания гораздо длиннее, чем для низкопрофильного планарного модуля – h2, и поэтому низкопрофильному модулю для удержания внутри конструкции предельной температуры 100 ⁰С можно позволить большую температуру на радиаторе –  +84 °C, в отличие от левой конструкции, имеющей на радиаторе +78 °C. Далее все просто — окружающий воздух, например, имеет температуру +60 °C, тогда левый радиатор будет работать с перегревом относительно окружающей среды +18 °C, а правый радиатор с перегревом относительно окружающей среды +24 °C.

Значит при одинаковой выделяемой модулями мощности, например 100 Вт тепловое сопротивление левого радиатора должно быть 18/100 = 0,18 °C/Вт, а правого радиатора — 24/100 = 0,24 °C/Вт. А это означает, что вам придется для толстого модуля электропитания брать радиатор на примерно 30 % массивнее, чем для планарного!

Именно поэтому радиатор совместно с модулем электропитания для правой, низкопрофильной планарной конструкции будет заметно меньших размеров и веса. Представьте, как это может повлиять на передвижные малогабаритные изделия, особенно летающие, например, на дроны.

  1. Весьма важный вопрос, что делать с теплом, которое идет не в радиатор (например, жидкостного типа), а в противоположную сторону . Из-за этого паразитного тепла приходится устанавливать в аппаратуре, наряду с основным жидкостным охлаждением еще и дополнительное, например, вентиляторное. Учитывая, что в толстых конструкциях модулей электропитания паразитное тепло может составлять долю в 15…25%, то данная проблема становится весьма неприятным, снижающим надежность фактором — в аппаратуре могут появиться механические устройства – вентиляторы. Мне приходилось сталкиваться с такими проблемами, разрабатывая системы электропитания для суперкомпьютеров и фазированных антенных решеток радаров. За счет применения планарных низкопрофильных модулей электропитания достаточно легко довести уровень паразитного тепла до 5…7%, в этом случае появляются другие возможности отведения тепла, кроме использования вентиляторов, например, конвекционные воздушные, кондуктивные жидкостные и т.п.

Для продукции AEPS-GROUP мы дали команду – срочно похудеть! Обращайте внимание на наши модули с индексом LP.

Перечисленные выгоды планарных конструкций модулей электропитания — не единственные. При встрече расскажу и о других.

Генеральный конструктор AEPS-GROUP Александр Гончаров.