Soluções de gerenciamento térmico de placas embarcadas

O aumento do processamento de borda, os aprimoramentos de desempenho e a miniaturização das plataformas embarcadas levaram a um aumento no consumo de energia e na geração de calor, criando pontos térmicos concentrados. O estresse térmico pode prejudicar significativamente o desempenho dos sistemas embarcados e até mesmo causar falhas em todo o sistema. A exposição prolongada ao calor excessivo também reduz a vida útil dos componentes eletrônicos.

Compreender as técnicas de gerenciamento térmico é fundamental para manter um dispositivo em condições operacionais ideais. Os avanços no setor de eletrônicos impulsionaram a necessidade de tecnologias inovadoras de gerenciamento térmico para aumentar a confiabilidade e o desempenho do sistema. De acordo com a Market Research Future, o mercado global de gerenciamento térmico deve atingir US$ 20,3 bilhões até 2030, crescendo a uma taxa anual composta de 8% entre 2022 e 2030.

Os acessórios térmicos são essenciais em vários produtos eletrônicos, não apenas em FPGAs, devido ao calor gerado durante a operação. O gerenciamento térmico adequado é essencial para manter o desempenho, a confiabilidade e a longevidade desses dispositivos. Aqui está uma inferência sobre por que os acessórios térmicos são importantes para uma série de produtos:

1. Microprocessadores e CPUs:

• Geração de calor: As CPUs, especialmente em computadores e servidores de alto desempenho, geram calor significativo devido a tarefas computacionais intensas.
• Acessórios térmicos: Dissipadores de calor, pasta térmica e ventoinhas de resfriamento são essenciais para dissipar o calor, evitar a limitação térmica e garantir um desempenho estável.

2. Unidades de processamento gráfico (GPUs):

• Alto consumo de energia: As GPUs, especialmente em jogos, IA e processamento de dados, consomem muita energia e produzem uma quantidade substancial de calor.
• Gerenciamento térmico: As soluções de resfriamento, como dissipadores de calor grandes, ventoinhas e, às vezes, resfriamento líquido, são necessárias para manter as temperaturas ideais, evitar o superaquecimento e manter o alto desempenho.

3. Unidades de fonte de alimentação (PSUs):

• Dissipação de calor: As fontes de alimentação convertem a energia CA em CC, o que envolve uma perda significativa de energia na forma de calor.
• Soluções de resfriamento: O resfriamento ativo com ventoinhas e o resfriamento passivo com dissipadores de calor são essenciais para manter a eficiência e a longevidade das fontes de alimentação.

4. Módulos de memória (RAM, DRAM):

• Estabilidade operacional: Os módulos de memória de alta velocidade podem gerar calor que, se não for controlado, pode levar à corrupção de dados ou à instabilidade do sistema.
• Acessórios térmicos: Espalhadores de calor e ventoinhas de resfriamento são usados para dissipar o calor e manter a integridade e a velocidade dos dados.

5. Equipamentos de rede (roteadores, switches):

• Operação contínua: Os equipamentos de rede geralmente funcionam 24 horas por dia, 7 dias por semana, levando à geração contínua de calor.
• Requisitos de resfriamento: Dissipadores de calor, ventoinhas e, às vezes, resfriamento ambiente (como ar condicionado em salas de servidores) são necessários para garantir um desempenho consistente e evitar falhas.

6. Sistemas embarcados:

• Desafios do design compacto: Os sistemas embarcados geralmente operam em ambientes restritos, onde a dissipação de calor é difícil.
• Soluções térmicas: Dissipadores de calor personalizados, pads térmicos e gabinetes especializados com resfriamento são usados para gerenciar o calor nesses sistemas compactos, garantindo a confiabilidade em aplicações industriais e automotivas.

7. Dispositivos móveis (smartphones, tablets):

• Restrições térmicas: Os dispositivos móveis são compactos, com espaço limitado para resfriamento, mas utilizam processadores de alto desempenho e baterias que geram calor.
• Resfriamento inovador: Técnicas como limitação térmica, espalhadores de calor em grafite e materiais avançados são usados para gerenciar o calor sem aumentar o tamanho do dispositivo.

8. Baterias e armazenamento de energia:

• Segurança e longevidade: As baterias, especialmente em veículos elétricos e sistemas de armazenamento de alta capacidade, geram calor durante a carga e a descarga.
• Gerenciamento térmico: Os sistemas de resfriamento, incluindo resfriamento líquido, sistemas de gerenciamento térmico e materiais resistentes ao calor, são vitais para evitar o superaquecimento, que pode reduzir a vida útil da bateria ou até mesmo causar situações perigosas.

9. Equipamentos de telecomunicação:

• Carga de calor contínuo: estações-base, antenas e outros equipamentos de telecomunicações geram calor constante durante a operação.
• Necessidades de resfriamento: Dissipadores de calor, ventoinhas e gabinetes com controle climático são essenciais para manter a confiabilidade do equipamento e a disponibilidade do serviço.

10. Sistemas de computação de alto desempenho (HPC):

• Saída de calor extremo: Os sistemas HPC, usados em pesquisa científica, IA e análise de big-data, envolvem agrupamentos de computação densos que produzem calor significativo.
• Resfriamento avançado: O resfriamento líquido, o resfriamento por imersão e os sofisticados sistemas de resfriamento a ar são essenciais para gerenciar o calor e garantir uma operação ininterrupta e de alta velocidade.

Os acessórios térmicos são indispensáveis em uma ampla gama de produtos eletrônicos, não apenas em FPGAs. Eles desempenham um papel fundamental na dissipação de calor, evitando o superaquecimento e garantindo que os dispositivos funcionem de forma confiável e eficiente. Sem o gerenciamento térmico adequado, os produtos eletrônicos podem sofrer redução de desempenho, instabilidade e falhas potencialmente catastróficas. A escolha das soluções térmicas depende dos requisitos específicos do produto, incluindo seu consumo de energia, tamanho e ambiente operacional.

Técnicas comuns de dissipação de calor em soluções embarcadas

As técnicas de dissipação de calor são mais cruciais do que nunca, com sistemas cada vez menores e mais potentes. Os projetistas podem usar vários métodos para remover o calor dos componentes e PCIs, com mecanismos comuns que incluem:

Dissipadores de calor e ventoinhas de resfriamento - Os dissipadores de calor são peças metálicas de superfície grande e termicamente condutoras que atuam como trocadores de calor passivos, dissipando o calor para o ar circundante por meio de condução. Acrescentar ventoinhas de resfriamento aos dissipadores de calor ajuda na remoção mais rápida e eficaz do calor. Essa combinação é um dos métodos mais comuns e eficazes de resfriamento em sistemas embarcados, especialmente em ambientes com fluxo de ar limitado.

Figura 1: Esse dissipador de calor com ventoinha de resfriamento ajuda a dissipar o calor dos componentes em que está montado. (Fonte da imagem: iWave)

Integração de tubos de calor - Os tubos de calor são dispositivos de resfriamento usados em aplicações de alta temperatura. Um tubo de calor típico consiste em um fluido que absorve calor, vaporiza e se desloca ao longo do tubo. Na extremidade do condensador, o vapor se transforma novamente em líquido, e o ciclo se repete. Os tubos de calor são altamente eficientes e podem transferir calor por longas distâncias, o que os torna ideais para dispositivos eletrônicos compactos e de alta densidade.

Espalhadores de calor - Os espalhadores de calor têm uma grande superfície plana que geralmente é pressionada diretamente contra outra grande superfície plana. Eles permitem a transferência de calor de um componente menor para uma superfície metálica maior. Os dissipadores de calor são ideais para dispositivos que precisam resistir a choques e vibrações extremos ou que estejam alojados em recipientes fechados. Eles oferecem uma solução robusta para o gerenciamento de calor em sistemas embarcados reforçados e vedados.

Resfriadores termoelétricos (TECs) - Os resfriadores termoelétricos são ideais para sistemas em que a temperatura dos componentes deve ser mantida constante. Os processadores com alta dissipação de energia geralmente usam uma combinação de TECs, resfriamento a ar e resfriamento líquido para ir além dos limites convencionais de resfriamento a ar. Os TECs podem resfriar componentes a temperaturas abaixo da ambiente, proporcionando um controle preciso da temperatura.

Vias térmicas - As matrizes de vias térmicas são incorporadas em áreas preenchidas com cobre e colocadas próximas a fontes de energia. Nesse método, o calor flui dos componentes para a área de cobre e se dissipa pelo ar a partir das vias. As vias térmicas são frequentemente usadas em módulos de gerenciamento de energia e componentes com pads térmicos, aumentando a condutividade térmica da PCI.

Sistemas de resfriamento líquido - Os líquidos podem transferir calor quatro vezes mais rápido do que o ar, permitindo maior desempenho térmico em soluções menores. Um sistema de resfriamento líquido inclui uma placa fria ou um gabinete resfriado para fazer a interface com a fonte de calor, uma bomba ou compressor para circular o líquido e um trocador de calor para absorver e dissipar o calor com segurança. O resfriamento líquido é particularmente eficaz para aplicações de alta potência e montagens eletrônicas densamente compactadas.

Soluções térmicas da iWave

A equipe especializada de engenheiros mecânicos da iWave projeta dissipadores de calor, dissipadores de ventoinhas e gabinetes adaptados às características térmicas específicas de seus produtos. Eles usam software de simulação térmica para ajudar os engenheiros a determinar os métodos de resfriamento mais adequados e a entender os parâmetros térmicos associados, melhorando a confiabilidade geral do produto.

Análise do padrão de fluxo de calor

Usando ferramentas como o Ansys Icepak, os engenheiros da iWave podem simular padrões de fluxo de calor em um dispositivo. Essa análise ajuda a identificar pontos térmicos concentrados e a otimizar o posicionamento dos componentes de resfriamento. Ao compreender como o calor se move em um sistema, os engenheiros podem projetar soluções de gerenciamento térmico mais eficazes.

Projeto de dissipador de calor personalizado

A iWave projeta dissipadores de calor personalizados para atender às necessidades exclusivas de cada projeto. O processo de design envolve o cálculo de valores teóricos de dissipação de calor com base na área da superfície e nas propriedades do material. Em seguida, os engenheiros testam esses projetos usando um software de simulação para garantir que eles ofereçam resfriamento adequado em várias condições operacionais.

Métodos de resfriamento para dispositivos ativos

Os métodos de resfriamento ativo, como a integração de TECs e ventoinhas de resfriamento, também são considerados durante a fase de projeto. A iWave avalia os benefícios e as limitações de cada método, selecionando a solução mais eficiente e econômica para cada aplicação.

Soluções térmicas para todos os fatores de forma

A iWave oferece soluções térmicas para todos os fatores de forma, incluindo OSM, SMARC, Qseven e SODIMM. Essas soluções utilizam a liga de alumínio AL6063 devido às suas excelentes propriedades materiais. O alumínio é um excelente condutor, não tóxico, reciclável e altamente durável, o que o torna ideal para a transferência de calor dos componentes.

Por meio de soluções térmicas de fábrica, os projetistas de produtos podem reduzir os custos de implementação, eliminando atrasos de engenharia, falhas de campo e iterações de produtos. A redução da quantidade de calor dissipada pelo dispositivo melhora a eficiência e a confiabilidade, garantindo a longevidade do produto.

Conclusão

A complexidade e a densidade de potência cada vez maiores dos sistemas embarcados exigem técnicas avançadas de gerenciamento térmico. Ao empregar uma variedade de métodos de dissipação de calor, desde dissipadores de calor e ventoinhas até sistemas de resfriamento líquido e vias térmicas, os projetistas podem garantir o desempenho e a confiabilidade ideais de seus dispositivos. Empresas como a iWave fornecem soluções térmicas especializadas, adaptadas às necessidades específicas de seus produtos, aproveitando ferramentas avançadas de simulação e projetos personalizados para atender aos desafios da eletrônica moderna.

Para obter mais informações sobre a experiência em soluções térmicas da iWave, entre em contato diretamente com eles.