Použitie Peltierovho článku při chladení elektronických komponentov

Súčasný trend miniaturizácie a neustáleho zvyšovania výpočtového výkonu stavia konštruktérov pred nové výzvy. Kým v minulosti na chladenie procesorov postačovali relatívne malé pasívne chladiče a o chladení grafických čipov, či dokonca pamätí, konštruktér ani nechyroval, v súčasných konštrukciách sú chladiče typicky najvýraznejšími dielmi zariadenia. Neustále sa zvyšujúce výkony posunuli požiadavky na chladiace výkony z oblasti pasívnych chladičov do oblasti chladenia s núteným obehom vzduchu. Pokračujúci trend zvyšovania výkonovej hustoty spôsobil, že veľkosti chladičov potrebných pre odvedenie vznikajúceho tepla sú na hranici únosnosti. Súčasným riešením je využitie tepelných trubíc (heatpipe), ktoré vďaka vysokej tepelnej vodivosti umožňujú konštruovanie chladičov s menšou hmotnosťou, respektíve s väčšou účinnou plochou pri rovnakej hmotnosti. Inou možnosťou je využitie kvapalinového chladenia, ktoré je však technologicky omnoho náročnejšie, navyše neodstraňuje potrebu rozmerného chladiča, iba ho umožňuje umiestniť na vzdialenejšie miesto. Poslednou dostupnou možnosťou je zvýšenie chladiaceho výkonu chladiča zvýšením jeho pracovnej teploty pomocou Peltierových článkov.

Peltierové termobatérie využívajú Seebeckov jav, pri ktorom dochádza prietokom prúdu k „čerpaniu“ tepla. Generujú teplotný spád, ktorý v praxi dosahuje 15–25 °C (závisí od pretekaného prúdu a kvality konštrukcie), za cenu dodatočného generovaného tepla. V praxi využívanou vlastnosťou je možnosť reverzácie smeru „čerpania“ tepla zmenou smeru pretekaného prúdu. Toto je s výhodou využívané pri stabilizácii pracovnej teploty, keď je možné daný prvok podľa potreby ohrievať alebo chladiť. Ich využitie pri chladení výkonových elektronických komponentov je však problematické, pretože pre dosiahnutie dostatočného prenosu tepla je potrebné Peltierov článok napájať značným prúdom generujúcim dodatočné teplo, ktoré je potrebné chladičom odviesť. Je otázne, pre aké výkony prináša ešte použitie Peltierovho článku výhodu lepšieho chladenia.

Obr. 1 Chladený komponent – grafický čip osadený technológiou FLIP-CHIP na nosiči BGA.

Na demonštráciu teplotných pomerov pri chladení s Peltierovým článkom bol vytvorený simulačný model v programe FloEFD od Mentor Graphics. Model je zostavený z vlastného výkonového komponentu, ktorým je grafický čip (obr. 1) osadený technológiou FLIP-CHIP na nosiči BGA osadený na DPS väčších rozmerov. Vzhľadom na skutočnosť, že BGA prepojenia umožňujú veľmi dobrý prestup tepla, bol model zjednodušený priamym umiestnením BGA nosiča na DPS, pričom ostatné komponenty umiestené na DPS neboli modelované. Ide teda o idealizovaný model a dosiahnuté výsledky v praxi na DPS osadenej inými komponentmi ovplyvňujúcimi prietok vzduchu budú horšie. Pre demonštráciu tepelných pomerov pri chladení však model postačuje. Na výkonovom prvku je umiestnený chladič (30 × 30 × 15 mm), obtekaný z hora prúdom vzduchu s rýchlosťou 5 m/s. Simulované bolo umiestnenie chladiča priamo na čipe výkonového prvku, v druhom prípade bol medzi čip a chladič umiestnený jednovrstvový Peltierov článok. Na obr. 2 je znázornená simulovaná zostava pri prúde Peltierovým článkom 3 A a tepelným výkonom čipu 2 W. Teplota čipu je 20 °C, teplota chladiča 39,5 °C, pri teplote prostredia 20 °C.

Obr. 2 Simulovaná zostava s Peltierovým článkom pri stratovom výkone čipu 2 W a prúde Peltierovým článkom 3 A.

Simulačné zostavy boli simulované pri tepelnom výkone čipu 1–10 W a prúde Peltierovým článkom 1–5 A s krokom 1 W, resp. 1 A. Spolu bolo teda realizovaných 55 simulácií, pri ktorých boli sledované teploty čipu, chladiča a DPS pod BGA nosičom, k čomu bola využitá funkcionalita prípadovej štúdie. Pre lepšiu orientáciu vo výsledkoch sú na obr. 3 znázornené teploty čipu v rozsahu výkonov 1–5 W, pri rôznych prúdoch pretekajúcich Peltierovým článkom. Z priebehov je možné vidieť, že zaradenie Peltierovho článku do reťazca pre odvod tepla nie je jednoznačným prínosom. V porovnaní s umiestnením chladiča priamo na čip prináša použitie Peltierovho článku zlepšenie v oblasti nižších výkonov, keď teplota čipu môže byť nižšia ako teplota prostredia (20 °C). Pri vyšších výkonoch sa prejavuje buď nedostatočná kapacita prenosu tepla pri malých prúdoch (1 A, čiastočne aj 2 A), alebo veľký príspevok stratového tepla generovaného Peltierovým článkom (4 A a 5 A). Skutočnosť, že výsledná zostava generuje väčšie množstvo stratového tepla, je možné kompenzovať použitím zväčšeného chladiča, tomu sa však konštruktér chce použitím Peltierovho článku spravidla vyhnúť. Sklon krivky je možné upraviť použitím Peltierovho článku s lepšími parametrami, no krivka nárastu teploty bude vždy strmšia jako v prípade umiestnenia chladiča priamo na čip. Z výstupov simulácií je zrejmé, že pre danú zostavu Peltier + chladič je optimálne napájanie Peltierovho článku prúdom 2 A pri odvode stratového výkonu do 3 W. Samozrejme, je možné odvádzať aj vyššie výkony (7 W při teplote čipu 80 °C), ale pre výkony nad 3 W vykazuje zostava horšie parametre odvodu tepla z čipu ako samostatný chladič.

Obr. 3 Závislosť teploty čipu od jeho stratového výkonu pri rôznych prúdoch Peltierovým článkom.

Použitie Peltierovho článku v reťazci odvodu tepla prináša benefity, ktoré sú vykúpené potrebou napájania ďalšieho komponentu a následným vznikom dodatočného stratového tepla, čo si spravidla vyžiada použitie väčšieho chladiča. Pri vhodnom dimenzovaní celej chladiacej zostavy je však možné dosiahnuť citeľné zníženieteploty výkonového prvku, dokonca aj pod teplotu okolia.