パッシブPCB放熱テクニックの概要

アイスキャンデーのように溶けるかもしれないと思うほど、体が熱くなったことがありますか? ここ南カリフォルニアの夏は非常に暑くなり、アイスキャンデーが欲しくなります。仕事から帰宅すると、エアコンをガンガンかけて、イグルーに住んでいるふりをするのが好きです。ただ、暑さにうだるよりも唯一嫌なのは、自分のお金が全て冷房代に消えていくのを見ることです。他の人は、別のアプローチで冷やします。幾何学的図形または熱交換器を使って、パッシブに家を冷やします。見た目が良くないジオデシックドームの住宅を見るたびに笑ってしまうかもしれませんが、その家の所有者は、涼しく過ごし、お金も節約しているのです。PCBの冷却は、家を冷やすのと同じくらい面倒です。アクティブな熱緩和システムは、電気を使い、占有スペースが大きすぎます。幸運なことに、PCBは、パッシブな冷却の恩恵を受けることもできます。電力不要の主な冷却テクニックには、自然対流、熱分散器、熱交換器などがあります。今後数年で現れるであろう、画期的な液滴冷却テクニックもあります。

アクティブと比べたパッシブの利点

普通、私は、たっぷり汗をかくといったパッシブなテクニックより、エアコンなどのアクティブな冷却テクニックの方を好みます。PCBでのアクティブ冷却の問題は、通常、電力とスペースを使いすぎるという点です。

いつも電力消費は知らぬ間に増えています。請求書を受け取るまで、冷房に数百ドルも使ったことに気付きません。同じことが回路でも起こります。主要なICは、既に大量の電力を消費しています。低電力のファンを置いても誰も気にかけません。しかし、用途が低電力の場合、ファンのためにバッテリー持続時間が大幅に短くなるかもしれません。

一部の設計者は、必要なだけスペースを使う特権を持っています。あいにく、私はその1人ではありません。スペースは、ほとんどのプロジェクトで貴重です。回路の場所を確保するため、ファンなどのアクティブな冷却コンポーネントが占めるスペースを最小化する必要があります。

パッシブ冷却システムは、基板の冷却に自然現象を利用します。基板として動作する以上の電力を必要としません。また、選択するデザインによって異なりますが、それらは通常、アクティブなシステムより小さくなっています。

ヒートシンクは外観がクールで、PCBの冷却にも役立ちます。
 

パッシブ冷却システム

確かに、ここで説明する他にも冷却テクニックがいくつかあります。しかし、以下に示すのが、最も一般的な冷却方法の一部です。

• 自然対流/ヒートシンク - 自然対流とは、その言葉どおりの現象です。これを利用するのに必ずしもヒートシンクを使う必要はありませんが、ヒートシンクは自然対流に適しています。適切に配置すれば、ヒートシンクは、自然の気流を使って熱を放散できます。電力は使用しません。最適なヒートシンクを設計したい場合、効率的な気流を実現し境界層を最小化するため、少し計算を行う必要があります。このソリューションは、非常に単純ですが、他のパッシブなアプローチより必要なスペースが大きくなります。

• 伝導と放射/熱分散器 - 対流には流体での熱の伝達が関係しますが、放射と伝導には固体が関係します。通常、熱分散器は、熱管理の根幹ではありませんが、熱管理を強化します。基本的に、金属はどれも熱エネルギーを伝えるので、熱分散器の役目を果たします。伝導と放射を最大限に利用するには、熱がより効率的に放射される、基板の外側のレイヤーに、できるだけ熱を移動させる必要があります。多層基板の外側に、電気ではなく熱を伝えるのに、サーマルビアを使用できます。大きな電源プレーンやGNDプレーンも、熱の放散に役立ちます。面積が大きいほど、放射が効果的に行われるからです。

• 熱交換器 - 熱交換器は、従来のエアコンにしばしば使用されます。冷媒および気化/凝縮サイクルを使用して、ある領域から別の領域に熱を伝えます。PCBでは、主なタイプの熱交換器が2つあります。ヒートパイプと冷却板です。これらの主な違いはフォームファクターです。ヒートパイプは細く、冷却板は幅が広いのです。この種のシステムは、非常に小さくできますが、熱を効率的に伝えます。また、機械部品がなく自己完結しているので、故障する可能性も低いシステムです。

• 液滴冷却 - この実験的な冷却方式には、熱交換器と同じ種類のプロセスが関係します。主な違いに、熱交換器中の流体は、比較的長い距離を横に移動するのに対して、ここでは流体は、短い距離を縦に移動する点があります。このシステムが優れているのは、集積回路（IC）に形成されるホットスポットに自動的に反応する点です。さらに、液滴冷却は、熱分散器のように熱エネルギーを伝導、放射できますが、効果は、より大きくなります。横方向と縦方向の両方に伝導できるからです。

まったく冷却機能がないと、こうなります。

私は、夏の暑さをしのぐお手伝いはできないかもしれませんが、これらのテクニックは、基板を冷却するのに役立ちます。これらのパッシブなプロセスは全て、回路の電力を節約し、通常、アクティブなシステムよりスペースを使用しません。電力やスペースが大きな問題である場合、これらのシステムの1つを試してください。

優れた冷却システムが手に入れば、それに合ったPCBが必要になります。基板を設計するならば、CircuitStudioの使用を推奨します。多くの高度なツールが、レイアウトを行う間、冷静さを保つのに役立ちます。

熱管理についてのご質問は、Altiumの専門家までお問い合わせください。