Uma introdução ao gerenciamento térmico

Os sistemas eletrônicos estão ficando mais densos e mais quentes, o que significa que muitos sistemas exigirão algum método de gerenciamento do referido calor. Embora não seja necessário desenvolver uma solução de gerenciamento térmico para cada projeto, uma compreensão fundamental de como o calor é gerado, movido e removido é essencial para evitar que os componentes principais sejam danificados por temperaturas elevadas. No fim das contas, o gerenciamento térmico precisa ser considerado nos estágios iniciais do projeto e não como uma solução paliativa no projeto final.

Noções básicas de gerenciamento térmico

Conforme se exige mais dos sistemas eletrônicos, a teoria afirma que há três formas de transferência de calor e, portanto, os componentes podem ser refrigerados por: condução, convecção e radiação.

Talvez o método mais eficaz de transferência de energia, a condução transfere energia térmica através do contato físico entre dois objetos, onde o objeto mais frio naturalmente retira energia do objeto mais quente. Em geral, este método requer a menor área de superfície para transferir a maior energia.

Figura 1: Condução na prática. (Fonte da imagem: Same Sky)

Em segundo lugar, a convecção redistribui a energia térmica através do movimento do ar. Conforme o ar mais frio passa por um objeto mais quente, ele retira o calor do objeto e o transporta enquanto continua a se mover através do dispositivo. Este método pode ser realizado por convecção natural de ar ou por convecção forçada de ar através de uma ventoinha, ou seja, ventilação forçada.

Figura 2: Convecção na prática. (Fonte da imagem: Same Sky)

Em terceiro lugar, a radiação é a emissão de energia como uma onda eletromagnética. Comparativamente, este método é bastante ineficaz e ignorado na maioria dos cálculos térmicos porque, geralmente, só se aplica a aplicações de vácuo onde a condução e a convecção não são opções. Em princípio, a radiação é a transferência de calor através das ondas eletromagnéticas criadas quando partículas quentes vibram.

Figura 3: Radiação na prática. (Fonte da imagem: Same Sky)

Embora não seja um dos três conceitos térmicos básicos descritos acima, também é importante mencionar a resistência, ou impedância, térmica que quantifica a eficácia da transmissão térmica entre objetos e é utilizada extensivamente na concepção de soluções de gerenciamento térmico. Simplificando, quanto menor a impedância térmica, melhor será a transferência de energia. Utilizando a impedância térmica e uma determinada temperatura ambiente, é possível calcular exatamente quanta energia pode ser dissipada antes de atingir determinadas temperaturas.

Componentes de gerenciamento térmico

Há três abordagens populares para sistemas eletrônicos de resfriamento: dissipadores térmicos (ou dissipadores de calor), ventoinhas e módulos Peltier. Cada um pode ser usado sozinho, mas pode alcançar uma eficácia ainda maior quando integrado em conjunto.

Os dissipadores térmicos estão disponíveis em muitas formas e tamanhos. Eles são usados para melhorar a eficácia do resfriamento por convecção diminuindo a impedância térmica entre os dispositivos aos quais estão ligados e o meio de resfriamento, geralmente ar. Eles fazem isso aumentando a área da superfície de convecção e são feitos de um material que tem uma impedância térmica menor que os semicondutores típicos. Os dissipadores térmicos são de baixo custo e quase nunca falham ou se desgastam, mas tendem a aumentar o volume dos sistemas eletrônicos que estão resfriando. Como componentes passivos, os dissipadores térmicos são frequentemente emparelhados com ventoinhas para transferir a energia térmica dissipada para longe do sistema de forma mais eficaz. As ventoinhas ou sopradores criam um fluxo constante de ar frio sobre um dissipador térmico para manter a diferença de temperatura entre ela e o ar de resfriamento a fim de garantir a transferência contínua e eficiente de energia térmica.

As ventoinhas e sopradores estão disponíveis em uma grande variedade de formas e tamanhos com muitas opções de potência diferentes. A especificação principal é o fluxo de ar que elas podem gerar, normalmente medido em pés cúbicos por minuto (ft3/min ou CFM). Algumas ventoinhas e sopradores têm controles para que sua velocidade possa ser ajustada a fim de atender às necessidades da corrente de resfriamento, como parte de um sistema de controle baseado em realimentação. As ventoinhas ajudam a melhorar o resfriamento, mas os projetistas precisam estar cientes de que precisam de energia e, às vezes, de circuitos de controle. Ao contrário dos dissipadores térmicos, as ventoinhas também podem ser ruidosas e ter peças móveis que as tornam mais propensas a falhas.

Os dispositivos Peltier são componentes semicondutores que utilizam o efeito Peltier para transferir calor de um lado do módulo para outro. Os dispositivos Peltier devem ser fornecidos com energia para movimentar a energia térmica, que na verdade adiciona calor ao sistema, de modo que são melhores utilizados com dissipadores térmicos e ventoinhas. No entanto, os módulos Peltier podem alcançar uma regulação precisa da temperatura e podem refrigerar dispositivos abaixo da temperatura ambiente. Como os dissipadores térmicos, eles não possuem peças móveis, por isso são flexíveis e robustos em si mesmos, mas novamente podem ser usados obrigatoriamente com ventoinhas, dissipadores térmicos e circuitos de controle, aumentando o custo e a complexidade. Por estas razões, os módulos Peltier são frequentemente reservados para as aplicações mais exigentes, como a extração de energia térmica do coração dos sistemas eletrônicos densamente empacotados.

Cálculo das exigências térmicas

Quaisquer que sejam os requisitos finais de projeto, existem abordagens bem estabelecidas para projetar uma solução de resfriamento eficaz para sistemas eletrônicos. Para ajudar a ilustrar como um engenheiro pode abordar a criação de uma solução de gerenciamento térmico integrado, aqui está um problema hipotético e uma solução:

Este exemplo utilizará um dispositivo em um invólucro de 10 mm x 15 mm que gera 3,3 W de calor em seu estado estacionário. A temperatura ambiente do meio de operação do dispositivo é de 50 °C, com uma temperatura operacional ideal de 40 °C. Nenhuma parte do sistema deve exceder 100 °C.

Figura 4: Gráfico de desempenho do módulo Peltier da ficha técnica CP2088-219 (fonte da imagem: Same Sky)

Estas especificações significam que um módulo Peltier é necessário para trazer a temperatura do dispositivo abaixo da temperatura ambiente. A Same Sky oferece o CP2088-219, um micromódulo Peltier que pode remover 3,3 W de energia térmica e reduzir a temperatura de um dispositivo a 10 °C abaixo da temperatura ambiente. O módulo Peltier é fixado ao dispositivo usando o SF600G, um Material de interface térmica (TIM) que reduz a impedância térmica entre o dispositivo e o resfriador. A ficha técnica CP2088-219 (Figura 4) mostra que o módulo Peltier requer 1,2 A a 2,5 V, o que significa que seu funcionamento adicionará 3 W de energia térmica ao sistema.

Para remover o total de 6,3 W de energia térmica do módulo Peltier, um dissipador térmico (o HSS-B20-NP-12) é fixado no outro lado, novamente usando o SF600G TIM como interface. O TIM tem uma área de 8,8 mm x 8,8 mm, e uma resistência térmica de pouco menos de 1,08 °C/W.

O dissipador térmico tem uma resistência térmica de 3,47 °C/W, assumindo um fluxo de ar através dele de 200 pés lineares por minuto (ft/min ou LFM), equivalente a 1 m/s.

Isto eleva a resistência térmica total da combinação do TIM e do dissipador térmico para 4,55 °C/W.

Para fornecer um fluxo de ar consistente de 200 ft/min (1 m/s), uma ventoinha da série CFM-25B poderia ser usada.

O arranjo conecta o dispositivo a ser resfriado a um módulo Peltier através de um TIM. A superfície superior do módulo Peltier é conectada a um dissipador térmico através de outro TIM, e todo o conjunto existe dentro de 200 ft/min de ar a 50 °C.

Figura 5: Solução de gerenciamento térmico utilizando um dispositivo Peltier, dissipador térmico, duas camadas TIM e ventoinha (fonte da imagem: Same Sky)

Usando estes dados, a temperatura de estado estacionário do dispositivo pode ser calculada. O módulo Peltier manterá seu lado frio a 40 °C – ao custo de adicionar 3,3 W de calor ao conjunto. O dissipador térmico terá que dissipar 6,3 W de calor em um ambiente de fluxo de ar a 50 °C, com uma resistência térmica total entre o módulo Peltier e o ar ambiente de 4,55 °C/W. A multiplicação de 6,3 W vezes 4,55 °C/W determina o aumento da temperatura em relação ao ambiente, que neste caso é de 28,67 °C ou 78,67 °C no total. Isto está bem abaixo da exigência de 100 °C, resultando em uma solução de gerenciamento térmico que atende às necessidades do sistema.

Conclusão

O gerenciamento térmico já é necessário em aplicações de consumo como refrigeração, HVAC, impressão 3D e desumidificadores. Também é utilizado em aplicações científicas e industriais, como termocicladores para síntese de DNA e lasers de alta precisão. Os dissipadores térmicos, ventoinhas e módulos Peltier podem ajudar a garantir que sistemas eletrônicos complexos permaneçam dentro de seus limites de projeto térmico. A Same Sky oferece uma gama de componentes de gerenciamento térmico para simplificar este processo crítico de seleção.