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    Überblick über die Grundlagen und Prinzipien des Kühlkörper-Designs

    Altium Designer
    |  January 29, 2018

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    Auf dem College habe ich ein Musikinstrument gespielt und mein Lehrer sagte mir immer: „Pfuschen Sie nicht bei den Grundlagen!“ Das führte zu stundenlangem Üben der Tonleitern, bis ich schließlich alle einschließlich sämtlicher Variationen ohne nachzudenken spielen konnte. Für Elektronikingenieure ist es wichtig, sich an das Wesentliche zu erinnern und daran zu denken, wie es unsere Arbeit beeinflusst. Ich arbeite normalerweise mit übergeordneten Systemen, und dabei vergisst man leicht die einfachen Prinzipien, die moderne Anwendungen prägen. Wenn es um Wärmemanagement und Kühlkörper geht, sind drei wesentliche Dinge zu bedenken: Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Diese drei Grundlagen beeinflussen Dinge wie die Platzierung und Ausrichtung der Kühlrippen, Wärmeleitpasten (TIM) und die Oberflächenbehandlung der Kühlkörper. Sobald man sich das Zusammenspiel dieser Dinge wieder in Erinnerung gerufen hat, wird das Kühlkörper-Design zum Kinderspiel.

    Konvektion

    Ein weiterer Lehrsatz meines Lehrers war: „Musik sollte sich nicht erzwungen anhören.“ Nun, das gilt für die Konvektion nicht unbedingt. Auf Ihrer Platine kan es zwei Arten von Konvektion geben: natürliche und erzwungene. Natürliche Konvektion braucht keine Lüfter oder äußeren Einflüsse, um Luft zu bewegen. Stattdessen beruht sie auf den Konvektionsströmen, die auf natürliche Weise in einem unterschiedlich aufgeheizten Fluid auftreten. Dieser passive Prozess beansprucht keine Energie, kann aber beim Abkühlen ein bisschen träge sein. Erzwungene Konvektion ist genau das Gegenteil: sie braucht eine äußere Kraft zum Bewegen der Luft. Normalerweise wird diese Kraft beispielsweise von einem Lüfter aufgebracht. Bei dieser Methode muss diese äußere Wirkung mit Energie versorgt werden, aber im Gegenzug erhält man eine schnellere Kühlung. Interessanterweise wirkt sich die gewählte Methode auf Ihr Kühlkörper-Design aus.

    Bei der natürlichen Konvektion müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Kühlkörper und die Kühlrippen so platziert werden, dass sie die Luftbewegung nicht hemmen. Die Strömung in einem natürlichen Konvektionsschema ist ziemlich schwach, wird sie also in irgendeiner Weise behindert, verlangsamt das die Kühlung erheblich. Beim Platzieren des Kühlkörpers sollten Sie seine Ausrichtung so festlegen, dass die Luft parallel zu den Kühlrippen aufsteigen kann. Wenn Ihre Kühlrippen dagegen quer zum Luftstrom angeordnet sind, wäre das wie der Versuch, ein Instrument auf dem Kopf stehend zu spielen – es funktioniert einfach nicht. Die Kühlrippen selbst sollten Sie nicht zu dicht anordnen, da sie sonst die Konvektion behindern.

    Der Umgang mit erzwungener Konvektion ist sowohl einfacher als auch komplexer. Die Luftströmung ist hier zwar garantiert, aber es geht um ihre Optimierung. Wie schon erwähnt, sollte Ihr Kühlkörper so ausgerichtet sein, dass die Luft parallel zu den Kühlrippen strömt. Die Konstruktion der Kühlrippen kann etwas heikel werden. Die Hauptschwierigkeiten bei der erzwungenen Konvektion sind der Druckabfall und die Verluste. Wenn Ihre Kühlrippen zu groß oder zu dicht platziert sind, verursachen sie einen massiven Druckabfall auf dem Kühlkörper, was zu einem verlustbehafteten System führt. Um die perfekte Größe und Anordnung der Kühlrippen herauszufinden, müssen Sie einige Berechnungen anstellen.

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    Ableitung

    In einem Orchester übermittelt der Dirigent die musikalischen Anweisungen mit seinem Taktstock durch die Luft. Dieser ist fast wie eine Funkantenne. Die Wärmeleitung in Schaltungen sind das genaue Gegenteil. Sie überträgt die Wärme zwischen Objekten durch direkten Kontakt. Bei der Beschäftigung mit Wärmeleitung müssen Sie darüber nachdenken, wo der Kühlkörper platziert wird, woraus er bestehen soll und unter Verwendung welcher Wärmeleitpaste er auf der Platine befestigt werden soll.

    Die Platzierung Ihres Kühlkörpers ist wichtig, denn schließlich möchten Sie sowohl die Kühlung maximieren als auch den Platzbedarf minimieren. Tatsächlich wäre es Ihnen aber wahrscheinlich am liebsten, wenn Sie den Kühlkörper ganz weglassen könnten. Wenn Sie aber dennoch einen verwenden müssen, machen Sie es am besten gleich richtig. Die optimale Kühlkörperposition ist auf einem Hotspot, wie z. B. an einem leistungsstarken IC oder einem Wärmeverteiler, der Wärme aus mehreren Quellen sammelt.

    Bei der Auswahl des Materials muss man zwei Hauptfaktoren berücksichtigen: Gewicht und Wärmeleitfähigkeit. Aluminium hat ausgezeichnete Gewichtseigenschaften und eine annehmbare Wärmeleitfähigkeit. Kupfer dagegen hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, kann aber ein bisschen zu schwer für Ihre Platine sein. Ein zu schwerer Kühlkörper kann Ihre PCB belasten und einen vorzeitigen Ausfall verursachen.

    Zu guter Letzt ein Wort zu den Wärmeleitpasten. Ohne eine gute Wärmeleitpaste kann Ihr Kühlkörper so nutzlos wie ein Tuba-Bläser ohne Lippen sein. Es steht eine große Palette zur Auswahl, sodass Sie leicht die für Sie richtige Wärmeleitpaste herausfinden können.

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    Abstrahlung

    Jedem Musiker unserer Band wurde immer gesagt, so viel Lautstärke wie möglich zu erzeugen, um den Konzertraum mit Klang zu erfüllen – vielleicht abgesehen von den Saxophonen, denn die spielen immer mit voller Lautstärke. Genauso möchten Sie, dass Ihr Kühlkörper so viel Wärme wie möglich abstrahlt. Um die Abstrahlung zu maximieren, sollten Sie die Oberfläche und den Emissionsgrad Ihres Kühlkörpers maximieren.

    Je mehr Fläche man hat, umso mehr wird Ihr Kühlkörper abstrahlen. Denken Sie jedoch daran, dass eine Vergrößerung der Oberfläche manchmal mit höheren Konvektionsverlusten einhergeht. Sie müssen also die Oberfläche und die Systemeffizienz gegeneinander abwägen, um die optimale Lösung zu finden.

    Der Emissionsgrad ist das Maß dafür, wie effektiv eine Oberfläche Wärme an die Luft abgibt. Zum Glück können Sie den Emissionsgrad maximieren, ohne die Konvektion oder die Wärmeleitung zu beeinträchtigen. Sie müssen nur die Außenseite des Kühlkörpers behandeln, um das Emissionsvermögen zu erhöhen. Eine Oberflächenbehandlung kann sich sehr positiv auf die Wärmeübertragungseigenschaften Ihres Kühlkörpers auswirken, so dass ich sie auf jeden Fall empfehle.

    Wenn Sie in einem Konzert auftreten und die Grundlagen vergessen, treffen Sie vielleicht die eine oder andere Note nicht richtig. Ihrem Dirigenten könnte vielleicht die Zornesader schwellen, aber das war es dann auch schon. Vergessen Sie die Grundlagen bei der Auswahl eines Kühlkörpers, kann Ihr PCB allerdings so heiß werden, dass es in Flammen aufgeht. Deshalb ist es so wichtig, Konvektion, Wärmeleitung und -abstrahlung effektiv zu nutzen, um Ihre Platine kühl zu halten.

    Nachdem Sie Ihren Kühlkörper ausgesucht haben, möchten Sie vielleicht ein wenig Hilfe beim Layout der zu kühlenden Schaltung. CircuitStudio ist ein großartiges Design-Tool mit unzähligen modernen Funktionen für das Design. Ihre Arbeit könnte dann so schnell gehen, dass Sie sogar noch die Zeit finden, das Spielen eines Musikinstruments zu erlernen.

    Haben Sie noch weitere Fragen zu Kühlkörpern? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.

     

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    PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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