Introducción a la gestión térmica

Los sistemas electrónicos son cada vez más densos y calientes, lo que significa que muchos sistemas necesitarán algún método para gestionar dicho calor. Aunque el desarrollo de una solución de gestión térmica no es necesario para todos los diseños, una comprensión fundamental de cómo se genera, mueve y elimina el calor es esencial para evitar que los componentes clave resulten dañados por las elevadas temperaturas. A fin de cuentas, la gestión térmica debe considerarse en las primeras fases del diseño y no como una solución provisional en el diseño final.

Fundamentos de la gestión térmica

Como se exige más a los sistemas electrónicos, la teoría establece que hay tres formas de transferir el calor y, por tanto, de enfriar los componentes: conducción, convección y radiación.

Tal vez el método más eficaz de transferencia de energía, la conducción transfiere la energía térmica a través del contacto físico entre dos objetos, en el que el objeto más frío extrae naturalmente la energía del objeto más caliente. En general, este método requiere la menor superficie para mover la mayor energía.

Figura 1: La conducción en la práctica. (Fuente de la imagen: Same Sky)

En segundo lugar, la convección redistribuye la energía térmica mediante el movimiento del aire. Cuando el aire más frío pasa junto a un objeto más caliente, extrae el calor del objeto y lo arrastra mientras sigue moviéndose por el aparato. Este método puede llevarse a cabo por convección natural del aire o por convección forzada del aire mediante un ventilador.

Figura 2: La convección en la práctica. (Fuente de la imagen: Same Sky)

En tercer lugar, la radiación es la emisión de energía en forma de onda electromagnética. En comparación, este método es bastante ineficaz y se ignora en la mayoría de los cálculos térmicos porque generalmente solo se aplica a aplicaciones de vacío en las que la conducción y la convección no son opciones. En principio, la radiación es la transferencia de calor a través de las ondas electromagnéticas creadas cuando las partículas calientes vibran.

Figura 3: La radiación en la práctica. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Aunque no es uno de los tres conceptos térmicos básicos expuestos anteriormente, también es importante mencionar la resistencia térmica, o impedancia, que cuantifica la eficacia de la transmisión térmica entre objetos y se utiliza ampliamente en el diseño de soluciones de gestión térmica. En pocas palabras, cuanto menor sea la impedancia térmica, mejor será la transferencia de energía. Utilizando la impedancia térmica y una temperatura ambiente determinada, es posible calcular exactamente la potencia que se puede disipar antes de alcanzar determinadas temperaturas.

Componentes de gestión térmica

Hay tres enfoques populares para la refrigeración de sistemas electrónicos: disipadores térmicos, ventiladores y módulos Peltier. Cada uno de ellos puede utilizarse por separado, pero pueden alcanzar una eficacia aún mayor cuando se integran juntos.

Los disipadores térmicos están disponibles en muchas formas y tamaños. Se utilizan para mejorar la eficacia de la refrigeración por convección disminuyendo la impedancia térmica entre los dispositivos a los que se fijan y el medio de refrigeración, normalmente el aire. Para ello, aumentan la superficie de convección y están hechos de un material que tiene una impedancia térmica menor que los semiconductores típicos. Los disipadores de calor son de bajo coste y casi nunca fallan o se desgastan, pero tienden a aumentar el volumen de los sistemas electrónicos que refrigeran. Como componentes pasivos, los disipadores térmicos suelen ir acompañados de ventiladores para alejar la energía térmica disipada del sistema de forma más eficaz. Los ventiladores o sopladores crean un flujo constante de aire fresco sobre un disipador térmico para mantener la diferencia de temperatura entre este y el aire de refrigeración y garantizar una transferencia de energía térmica continua y eficaz.

Los ventiladores y sopladores están disponibles en una amplia variedad de formas y tamaños con muchas opciones de potencia diferentes. La especificación clave es el flujo de aire que pueden generar, normalmente medido en pies cúbicos por minuto (CFM). Algunos ventiladores y sopladores tienen controles para que su velocidad pueda ajustarse a las necesidades actuales de refrigeración, como parte de un sistema de control basado en la retroalimentación. Los ventiladores ayudan a mejorar la refrigeración, pero los diseñadores deben ser conscientes de que requieren energía y, a veces, circuitos de control. A diferencia de los disipadores de calor, los ventiladores también pueden ser ruidosos y tener partes móviles que los hacen más propensos a fallar.

Los dispositivos Peltier son componentes semiconductores que utilizan el efecto Peltier para transferir el calor de un lado a otro de un módulo. Los dispositivos Peltier deben recibir energía para mover la energía térmica, lo que en realidad añade calor al sistema, por lo que es mejor utilizarlos con disipadores térmicos y ventiladores. Sin embargo, los módulos Peltier pueden lograr una regulación precisa de la temperatura y pueden enfriar los dispositivos por debajo de la temperatura ambiente. Al igual que los disipadores térmicos, no tienen partes móviles, por lo que son flexibles y resistentes en sí mismos, pero de nuevo pueden tener que ser utilizados con ventiladores, disipadores térmicos y circuitos de control, aumentando el costo y la complejidad. Por estas razones, los módulos Peltier suelen reservarse para las aplicaciones más exigentes, como la extracción de energía térmica del corazón de sistemas electrónicos densamente empaquetados.

Cálculo de las necesidades térmicas

Sean cuales sean los requisitos finales del diseño, existen enfoques bien establecidos para diseñar una solución de refrigeración eficaz para los sistemas electrónicos. Para ayudar a ilustrar el modo en que un ingeniero podría abordar la creación de una solución de gestión térmica integrada, he aquí un problema y una solución hipotéticos:

En este ejemplo se utilizará un dispositivo en un envase de 10 mm x 15 mm que genera 3.3 W de calor en su estado estacionario. La temperatura ambiente del entorno de funcionamiento del dispositivo es de 50 °C, con una temperatura ideal de funcionamiento de 40 °C. Ninguna parte del sistema debe superar los 100 °C.

Figura 4: Gráfico de rendimiento del módulo Peltier extraído de la hoja de datos del CP2088-219 (Fuente de la imagen: Same Sky)

Estas especificaciones significan que se necesita un módulo Peltier para llevar la temperatura del dispositivo por debajo de la ambiental. Same Sky ofrece el CP2088-219, un módulo micro Peltier que puede eliminar 3.3 W de energía térmica y reducir la temperatura de un dispositivo a 10 °C por debajo de la temperatura ambiente. El módulo Peltier se fija al dispositivo mediante SF600G, un material de interfaz térmica (TIM) que reduce la impedancia térmica entre el dispositivo y el refrigerador. La hoja de datos del CP2088-219 (Figura 4) muestra que el módulo Peltier requiere 1.2 A a 2.5 V, lo que significa que su funcionamiento añadirá 3 W de energía térmica al sistema.

Para eliminar el total de 6.3 W de energía térmica del módulo Peltier, se acopla un disipador térmico (el HSS-B20-NP-12) a su otro lado, utilizando de nuevo el SF600G TIM como interfaz. El TIM tiene una superficie de 8.8 mm x 8.8 mm, y una resistencia térmica de algo menos de 1.08°C/W.

El disipador térmico tiene una resistencia térmica de 3.47°C/W, suponiendo un flujo de aire a través de él de 200 pies lineales por minuto (LFM).

Esto hace que la resistencia térmica total del TIM y el disipador de calor combinados sea de 4.55°C/W.

Para proporcionar un flujo de aire constante de 200 LFM, se podría utilizar un ventilador de la serie CFM-25B.

La configuración conecta el dispositivo a enfriar a un módulo Peltier a través de un TIM. La superficie superior del módulo Peltier está conectada a un disipador térmico a través de otro TIM, y todo el conjunto existe dentro de 200 LFM de aire a 50 °C.

Figura 5: Solución de gestión térmica mediante un dispositivo Peltier, un disipador térmico, dos capas de TIM y un ventilador (Fuente de la imagen: Same Sky)

A partir de estos datos, se puede calcular la temperatura en estado estacionario del dispositivo. El módulo Peltier mantendrá su lado frío a 40 °C, a costa de añadir 3.3 W de calor al conjunto. El disipador de calor tendrá que disipar 6.3 W de calor en un entorno de flujo de aire de 50 °C, con una resistencia térmica total entre el módulo Peltier y el aire ambiente de 4.55 °C/W. Multiplicando 6.3 W por 4.55°C/W se determina el aumento de temperatura sobre la ambiente, que en este caso es de 28.67 °C o 78.67 °C en total. Esto está muy por debajo del requisito de los 100 °C, lo que da lugar a una solución de gestión térmica que satisface las necesidades del sistema.

Conclusión:

La gestión térmica ya es necesaria en aplicaciones de consumo como la refrigeración, la climatización, la impresión 3D y los deshumidificadores. También se utiliza en aplicaciones científicas e industriales, como los termocicladores para la síntesis de ADN y los láseres de alta precisión. Los disipadores de calor, los ventiladores y los módulos Peltier pueden ayudar a garantizar que los sistemas electrónicos complejos se mantengan dentro de sus límites de diseño térmico. Same Sky ofrece una gama de componentes de gestión térmica para simplificar este crítico proceso de selección.