Gestion d'un budget thermique
Par Peter VowellLorsque les appareils électriques fonctionnent, ils consomment de l'énergie pour effectuer une certaine tâche. Mais lorsque les appareils utilisent cette énergie électrique, ils en convertissent une grande partie en une forme différente : la chaleur. La révolution de l'IdO et du sans fil a poussé les appareils à devenir plus petits que jamais, ce qui rend la gestion de la chaleur encore plus importante. Sans un budget thermique correctement géré, les appareils modernes risquent de surchauffer jusqu'à un point de défaillance critique. Les dissipateurs thermiques peuvent améliorer considérablement les performances des appareils. Souvent, le facteur limitant du refroidissement est la surface de contact entre le fluide de refroidissement (généralement de l'air) et l'appareil lui-même. Les dissipateurs de chaleur changent cela, en dissipant la chaleur de manière uniforme dans l'ensemble du dissipateur de chaleur et en fournissant une surface de contact beaucoup plus grande pour le fluide de refroidissement. Si la taille du dissipateur thermique est le facteur le plus évident du phénomène de refroidissement, il existe également d'autres concepts dont vous devez tenir compte.
Facteurs à prendre en compte
Précisiondissipation de la chaleur peut être difficile à anticiper. Le concept le plus important à prendre en compte est peut-être celui de la résistance thermique. Pour mieux comprendre cette notion, nous devons effectuer quelques calculs simples. La résistance thermique peut être définie comme suit :
Où θ est la résistance thermique, TD est la température du dispositif électronique actif, TAest la température ambiante (température de l'air ambiant), et P est la puissance dissipée par l'appareil. Idéalement, la résistance thermique devrait être aussi faible que possible, afin de permettre un "flux" de chaleur sans entrave. Il est important de noter qu'à mesure que la puissance absorbée par l'appareil augmente, la température de fonctionnement de l'appareil augmente également, et pas toujours de façon linéaire. La chaleur de l'appareil peut augmenter beaucoup plus rapidement que la puissance de l'appareil, ce qui aurait un effet négatif sur votre résistance thermique. Vous devrez déterminer cette relation pour chaque appareil spécifique que vous souhaitez gérer, et ce devrait être l'une des premières étapes lorsque vous utilisez le système de gestion de l'énergie.effectuer des analyses sur un composant donné.Au-delà de la puissance et de la température ambiante, il faut également tenir compte de la composition du matériau du dissipateur thermique. Différents matériaux peuvent supporter des charges thermiques différentes. Certains matériaux peuvent conduire la chaleur de manière extrêmement efficace mais ont des températures de fusion très basses, ce qui les rend inutilisables dans l'électronique. D'autres peuvent supporter des températures très élevées, mais n'ont pas la conductivité thermique nécessaire. L'aluminium est le matériau le plus couramment utilisé pour les dissipateurs de chaleur et il est relativement bon marché. Le cuivre se situe à l'extrémité supérieure, avec une conductivité thermique inhérente presque deux fois supérieure à celle de l'aluminium. Bien que son prix soit plus élevé, il peut en valoir la peine s'il permet un fonctionnement plus stable de l'appareil.Une autre notion importante à prendre en compte est la résistance thermiqueaux interfaces des composants. Un dissipateur thermique doit être appliqué à un composant électrique donné, et la manière de procéder correctement est un sujet qui fait l'objet de nombreux débats. En général, il faut utiliser une pâte ou un adhésif, et la conductivité thermique de ce connecteur peut potentiellement dégrader l'efficacité thermique de l'ensemble du système. Outre le choix d'un matériau d'application approprié, il convient de trouver une pression d'application adéquate. Si la pression est trop faible, le dissipateur thermique ne sera pas bien placé, ce qui minimisera le contact entre le dissipateur thermique et l'appareil et laissera de la place pour d'éventuelles poches d'air. Si la pression est trop forte, vous risquez d'endommager le composant. Il s'agit d'une question délicate, et les décisions doivent être prises pour chaque cas d'utilisation individuel, plutôt que d'essayer d'appliquer une solution générique à tous les cas.
Types de refroidissement
Il existe deux méthodes principales pour refroidir les appareils électroniques :refroidissement passif etrefroidissement actif. Généralement, une combinaison des deux est utilisée, afin d'optimiser les performances tout en restant économe en énergie.
Refroidissement passif
Le refroidissement passif ne consomme pas plus d'énergie pour refroidir le système. L'ajout d'un dissipateur thermique à un processeur est considéré comme un refroidissement passif ; il ne fait que répartir la chaleur sur une plus grande surface, mais ne consomme pas plus d'énergie pour ce faire. Il s'agit d'un élément essentiel de la plupart des systèmes électroniques modernes, considéré comme la première ligne de défense contre les dommages causés par la chaleur. Le refroidissement passif peut également être obtenu en réduisant la puissance absorbée par le système. Il s'agit d'une méthode de refroidissement un peu plus avancée, qui est généralement contrôlée par un système de gestion de l'énergie embarqué. Elle nécessite des capteurs de température intégrés et une sorte d'accès au niveau du micrologiciel pour modifier la tension de fonctionnement. Lorsqu'un système informatique détecte qu'il a trop chaud, il peut réagir en réduisant la puissance du système. Si cela permet d'éviter que le composant en question ne surchauffe, cela ralentit également la vitesse de fonctionnement et de traitement. C'est pourquoi le refroidissement passif par réduction de la puissance ne doit être envisagé que lorsque la vitesse de fonctionnement n'est pas un problème ou lorsque le refroidissement actif n'est pas suffisant.
Refroidissement actif
Le refroidissement actif consomme de l'énergie, mais il peut être beaucoup plus efficace qu'un système qui ne comprend que du refroidissement passif. L'ajout d'un ventilateur à un dissipateur thermique est considéré comme un acte de refroidissement actif. À moins que votre système ne soit soumis à des contraintes strictes en matière de consommation d'énergie, le refroidissement actif devrait être envisagé, au moins en tant que sécurité d'urgence. Le fait de souffler de l'air sur un dissipateur thermique permet de le refroidir plus rapidement. Ceci peut être expliqué en développant la section précédente. Si vous vous référez à la définition de la résistance thermique, vous vous souviendrez que la température ambiante joue un rôle important. L'équation de la résistance thermique ne dit cependant pas tout : elle ne tient pas compte du temps. Si un dissipateur thermique n'est refroidi que par l'air ambiant qui l'entoure, le refroidissement sera relativement lent. En revanche, si de l'air est soufflé sur le dissipateur thermique, la vitesse de refroidissement augmente, car une plus grande quantité d'air frais atteint le dissipateur thermique par unité de temps. C'est la base du refroidissement actif. En contrôlant la quantité d'air qui circule pendant un laps de temps donné, vous pouvez contrôler la température des composants avec beaucoup plus de précision.La décision d'utiliser uniquement un refroidissement passif ou de combiner un refroidissement actif et passif dépend largement du cas d'utilisation. Le bruit est l'un des aspects que de nombreuses personnes ne prennent pas en compte lors de la conception d'un système. Si vous construisez une ferme de serveurs, la température et la vitesse de fonctionnement sont probablement les principales préoccupations. Dans ce cas, l'utilisation de grands ventilateurs à grande vitesse serait une solution appropriée, car le bruit n'est pas une préoccupation majeure. En revanche, le bruit peut être une préoccupation majeure si vous êtes le propriétaire d'un cybercafé. Vous souhaitez créer une certaine esthétique, et celle-ci serait certainement gâchée par la présence de ventilateurs bruyants et gênants. Chaque cas d'utilisation doit être analysé séparément, en prenant soin de considérer les facteurs environnementaux en plus des impacts sur le système. La gestion d'un budget thermique n'est pas une affaire simple. Les ingénieurs doivent tenir compte d'éléments tels que la température ambiante, la puissance du système, les propriétés des matériaux et les interfaces des composants. En outre, les concepteurs doivent décider s'il convient d'utiliser un système de refroidissement actif ou passif, en tenant compte non seulement de la puissance par rapport à l'efficacité, mais aussi de la pollution sonore. Il n'existe pas de solution universelle, et chaque composant ou système électrique nécessite une solution unique. Cependant, avec un examen attentif et un peu de mathématiques, vous pouvez trouver en toute confiance la bonne réponse pour répondre à vos besoins.
