Introduction à la gestion thermique

Les systèmes électroniques sont de plus en plus denses et chauds, ce qui signifie que de nombreux systèmes ont besoin d'une méthode pour gérer cette chaleur. Bien que le développement d'une solution de gestion thermique ne soit pas nécessaire pour chaque conception, une compréhension fondamentale de la façon dont la chaleur est générée, déplacée et évacuée est essentielle pour éviter que des composants clés ne soient endommagés par des températures élevées. La gestion thermique doit être prise en compte dès les premières étapes de conception plutôt que comme une solution de secours dans la conception finale.

Les bases de la gestion thermique

Les systèmes électroniques étant de plus en plus sollicités, la théorie prévoit trois manières différentes de transférer la chaleur et donc de refroidir les composants : conduction, convection et rayonnement.

Peut-être la méthode de transfert d'énergie la plus efficace, la conduction transfère l'énergie thermique par contact physique entre deux objets, l'objet le plus froid tirant naturellement l'énergie de l'objet le plus chaud. En général, cette méthode nécessite la plus petite surface pour déplacer la plus grande énergie.

Figure 1 : La conduction dans la pratique. (Source de l'image : Same Sky)

Deuxième option, la convection redistribue l'énergie thermique par déplacement d'air. Lorsque de l'air frais passe dans un objet plus chaud, il attire la chaleur de l'objet et l'évacue tout en continuant à se déplacer dans le dispositif. Cette méthode peut être réalisée par convection naturelle de l'air ou par convection à air forcé via un ventilateur.

Figure 2 : La convection dans la pratique. (Source de l'image : Same Sky)

Troisième option, le rayonnement est l'émission d'énergie sous forme d'onde électromagnétique. En comparaison, cette méthode est plutôt inefficace et ignorée dans la plupart des calculs thermiques car elle ne s'applique généralement qu'aux applications sous vide dans lesquelles la conduction et la convection ne sont pas possibles. Dans le principe, le rayonnement est le transfert de chaleur à travers des ondes électromagnétiques qui se produisent lorsque des particules chaudes vibrent.

Figure 3 : Le rayonnement dans la pratique. (Source de l'image : Same Sky)

Bien qu'elle ne fasse pas partie des trois concepts thermiques de base décrits ci-dessus, il est également important de mentionner la résistance thermique, ou impédance thermique, qui quantifie l'efficacité du transfert thermique entre les objets et est largement utilisée dans la conception de solutions de gestion thermique. En d'autres termes, plus l'impédance thermique est faible, plus le transfert d'énergie est efficace. Sur la base de l'impédance thermique et d'une température ambiante donnée, il est possible de calculer exactement la puissance qui peut être dissipée avant d'atteindre certaines températures.

Composants de gestion thermique

Il existe trois approches populaires pour refroidir les systèmes électroniques : les dissipateurs thermiques, les ventilateurs et les modules Peltier. Ces méthodes peuvent être utilisées individuellement mais elles atteignent une efficacité supérieure lorsqu'elles sont combinées.

Les dissipateurs thermiques sont disponibles dans de nombreuses formes et tailles. Ils sont utilisés pour améliorer l'efficacité du refroidissement par convection en diminuant l'impédance thermique entre les dispositifs auxquels ils sont connectés et le milieu de refroidissement, généralement l'air. Ils y parviennent en augmentant la surface de convection et ils sont fabriqués dans un matériau dont l'impédance thermique est inférieure à celle des semi-conducteurs classiques. Les dissipateurs thermiques sont peu coûteux et ne tombent pratiquement jamais en panne ou ne s'usent pas, mais ils ont tendance à augmenter le volume des systèmes électroniques qu'ils refroidissent. En tant que composants passifs, les dissipateurs thermiques sont souvent associés à des ventilateurs afin d'évacuer plus efficacement l'énergie thermique dissipée du système. Les ventilateurs créent un flux régulier d'air frais au-dessus d'un dissipateur thermique afin de maintenir la différence de température entre celui-ci et l'air de refroidissement pour garantir un transfert d'énergie thermique efficace et continu.

Les ventilateurs sont disponibles dans une grande variété de formes et de tailles avec de nombreuses options de puissance différentes. La spécification clé est le débit d'air qu'ils peuvent générer, typiquement mesuré en pieds cubes par minute (CFM). Certains ventilateurs sont équipés de commandes permettant de régler leur vitesse en fonction des besoins de refroidissement, dans le cadre d'un système de contrôle basé sur la rétroaction. Les ventilateurs contribuent à améliorer le refroidissement, mais les concepteurs doivent être conscients qu'ils nécessitent une alimentation électrique et parfois des circuits de commande. Contrairement aux dissipateurs thermiques, les ventilateurs peuvent également être bruyants et comporter des pièces mobiles qui les rendent plus vulnérables aux défaillances.

Les dispositifs Peltier sont des composants à semi-conducteurs qui utilisent l'effet Peltier pour transférer la chaleur d'un côté à l'autre d'un module. Les dispositifs Peltier doivent être alimentés en énergie afin de déplacer l'énergie thermique, ce qui ajoute de la chaleur au système. C'est pourquoi il est préférable de les utiliser avec des dissipateurs thermiques et des ventilateurs. Cependant, les modules Peltier permettent une régulation précise de la température et peuvent refroidir des dispositifs en dessous de la température ambiante. Comme les dissipateurs thermiques, ils n'ont pas de pièces mobiles et sont donc flexibles et robustes, mais là encore, ils peuvent devoir être utilisés avec des ventilateurs, des dissipateurs thermiques et des circuits de commande, ce qui augmente le coût et la complexité. Pour ces raisons, les modules Peltier sont souvent réservés aux applications les plus exigeantes, comme l'extraction de l'énergie thermique au cœur des systèmes électroniques denses.

Calcul des besoins thermiques

Quelles que soient les exigences de conception finales, il existe des approches bien établies pour concevoir une solution de refroidissement efficace pour les systèmes électroniques. Pour illustrer la manière dont un ingénieur peut aborder la création d'une solution de gestion thermique intégrée, voici un problème et une solution hypothétiques :

Cet exemple utilise un dispositif dans un boîtier de 10 mm x 15 mm qui génère 3,3 W de chaleur en régime permanent. La température ambiante de l'environnement de fonctionnement du dispositif est de 50°C, avec une température de fonctionnement idéale de 40°C. Aucune pièce du système ne doit dépasser 100°C.

Figure 4 : Graphique de performances du module Peltier, tiré de la fiche technique du CP2088-219. (Source de l'image : Same Sky)

Ces spécifications signifient qu'un module Peltier est nécessaire pour abaisser la température du dispositif en dessous de la température ambiante. Same Sky propose le CP2088-219, un micro-module Peltier capable d'éliminer 3,3 W d'énergie thermique et de réduire la température d'un dispositif à 10°C en dessous la température ambiante. Le module Peltier est fixé au dispositif à l'aide du SF600G, un matériau d'interface thermique (TIM) qui réduit l'impédance thermique entre le dispositif et le refroidisseur. La fiche technique du CP2088-219 (Figure 4) indique que le module Peltier requiert 1,2 A à 2,5 V, ce qui signifie que son fonctionnement ajoutera 3 W d'énergie thermique au système.

Pour éliminer les 6,3 W d'énergie thermique du module Peltier, un dissipateur thermique (HSS-B20-NP-12) est fixé sur l'autre face, en utilisant à nouveau le matériau d'interface thermique SF600G comme interface. Le matériau d'interface thermique a une surface de 8,8 mm x 8,8 mm, et une résistance thermique d'un peu moins de 1,08°C/W.

Le dissipateur thermique a une résistance thermique de 3,47°C/W, en supposant un débit d'air de 200 pieds linéaires par minute (LFM).

Cela porte la résistance thermique totale de l'ensemble matériau d'interface thermique plus dissipateur thermique à 4,55°C/W.

Pour fournir un débit d'air constant de 200 LFM, il est possible d'utiliser un ventilateur de la série CFM-25B.

Le dispositif à refroidir est relié à un module Peltier via un matériau d'interface thermique. La surface supérieure du module Peltier est connectée à un dissipateur thermique avec un autre matériau d'interface thermique, et l'assemblage complet se situe dans 200 LFM d'air à 50°C.

Figure 5 : Solution de gestion thermique utilisant un dispositif Peltier, un dissipateur thermique, deux couches de matériau d'interface thermique et un ventilateur. (Source de l'image : Same Sky)

Ces données permettent de calculer la température du dispositif en régime permanent. Le module Peltier maintiendra son côté froid à 40°C, au prix d'un ajout de chaleur de 3,3 W à l'assemblage. Le dissipateur thermique devra dissiper 6,3 W de chaleur dans un environnement à 50°C, avec une résistance thermique totale entre le module Peltier et l'air ambiant de 4,55°C/W. En multipliant 6,3 W par 4,55°C/W, on détermine l'augmentation de la température par rapport à la température ambiante, qui dans ce cas est de 28,67°C ou 78,67°C au total. Cette température est bien inférieure à l'exigence de 100°C, ce qui permet d'obtenir une solution de gestion thermique qui répond aux besoins du système.

Conclusion

La gestion thermique est déjà nécessaire dans les applications grand public telles que la réfrigération, le CVC, l'impression 3D et les déshumidificateurs. Elle est également utilisée dans des applications scientifiques et industrielles telles que les cycleurs thermiques pour la synthèse ADN et les lasers haute précision. Les dissipateurs thermiques, les ventilateurs et les modules Peltier peuvent contribuer à maintenir les systèmes électroniques complexes dans leurs limites de conception thermique. Same Sky propose une gamme de composants de gestion thermique pour simplifier ce processus de sélection critique.