Solutions de gestion thermique pour systèmes embarqués

L'augmentation du traitement en périphérie, l'amélioration des performances et la miniaturisation des plateformes embarquées ont entraîné une augmentation de la consommation d'énergie et de la production de chaleur, créant des hotspots thermiques. Les contraintes thermiques peuvent considérablement dégrader les performances des systèmes embarqués et même provoquer des défaillances complètes des systèmes. L'exposition prolongée à une chaleur excessive réduit également la durée de vie des composants électroniques.

La compréhension des techniques de gestion thermique est essentielle pour maintenir un dispositif dans des conditions de fonctionnement optimales. Les avancées dans l'industrie électronique ont entraîné le besoin de technologies de gestion thermique innovantes pour améliorer la fiabilité et les performances des systèmes. Selon Market Research Future, le marché mondial de la gestion thermique devrait atteindre 20,3 milliards d'USD d'ici à 2030, avec un TCAC de 8 % entre 2022 et 2030.

Les accessoires thermiques sont essentiels pour divers produits électroniques, et pas seulement pour les FPGA, en raison de la chaleur générée pendant le fonctionnement. Une gestion thermique appropriée est essentielle pour maintenir les performances, la fiabilité et la longévité de ces dispositifs. Voici pourquoi les accessoires thermiques sont importants pour de nombreux produits :

1. Microprocesseurs et processeurs (CPU) :

• Génération de chaleur : Les processeurs, en particulier dans les ordinateurs et serveurs hautes performances, génèrent une chaleur importante en raison de tâches de calcul intensives.
• Accessoires thermiques : Des dissipateurs thermiques, de la pâte thermique et des ventilateurs de refroidissement sont essentiels pour dissiper la chaleur, éviter l'étranglement thermique et garantir des performances stables.

2. Processeurs graphiques (GPU) :

• Consommation d'énergie élevée : Les processeurs graphiques, en particulier dans les jeux, l'IA et le traitement de données, consomment beaucoup d'énergie et produisent une quantité importante de chaleur.
• Gestion thermique : Des solutions de refroidissement telles que de grands dissipateurs thermiques, des ventilateurs et parfois un refroidissement par liquide sont nécessaires pour maintenir des températures optimales, éviter la surchauffe et maintenir des performances élevées.

3. Blocs d'alimentation (PSU) :

• Dissipation de chaleur : Les alimentations convertissent le courant alternatif en courant continu, ce qui implique une perte d'énergie importante sous forme de chaleur.
• Solutions de refroidissement : Le refroidissement actif avec des ventilateurs et le refroidissement passif avec des dissipateurs thermiques sont essentiels pour maintenir le rendement et la longévité des alimentations.

4. Modules de mémoire (RAM, DRAM) :

• Stabilité opérationnelle : Les modules de mémoire haute vitesse peuvent générer de la chaleur qui, si elle n'est pas contrôlée, peut entraîner une corruption des données ou une instabilité du système.
• Accessoires thermiques : Des répartiteurs de chaleur et des ventilateurs de refroidissement sont utilisés pour dissiper la chaleur et maintenir l'intégrité et la vitesse des données.

5. Équipements réseau (routeurs, commutateurs) :

• Fonctionnement continu : Les équipements réseau fonctionnent souvent 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, ce qui entraîne une génération de chaleur continue.
• Besoins en refroidissement : Des dissipateurs thermiques, des ventilateurs et parfois un refroidissement environnemental (comme la climatisation dans les salles de serveurs) sont nécessaires pour garantir des performances constantes et éviter les pannes.

6. Systèmes embarqués :

• Défis de compacité de conception : Les systèmes embarqués fonctionnent souvent dans des environnements restreints où la dissipation de chaleur est difficile.
• Solutions thermiques : Des dissipateurs thermiques personnalisés, des pastilles thermiques et des boîtiers spécialisés avec refroidissement sont utilisés pour gérer la chaleur dans ces systèmes compacts, garantissant la fiabilité dans les applications industrielles et automobiles.

7. Dispositifs mobiles (smartphones, tablettes) :

• Contraintes thermiques : Les dispositifs mobiles sont compacts et disposent d'un espace limité pour le refroidissement, mais ils utilisent des processeurs hautes performances et des batteries qui génèrent de la chaleur.
• Refroidissement innovant : Des techniques telles que l'étranglement thermique, des répartiteurs de chaleur en graphite et des matériaux avancés sont utilisés pour gérer la chaleur sans augmenter la taille du dispositif.

8. Batteries et stockage d'énergie :

• Sécurité et longévité : Les batteries, en particulier celles des véhicules électriques et des systèmes de stockage à haute capacité, génèrent de la chaleur pendant la charge et la décharge.
• Gestion thermique : Des systèmes de refroidissement, y compris des systèmes de refroidissement par liquide, des systèmes de gestion thermique et des matériaux résistants à la chaleur, sont essentiels pour éviter la surchauffe, qui peut entraîner une réduction de la durée de vie de la batterie ou même des situations dangereuses.

9. Équipements de télécommunications :

• Charge thermique continue : Les stations de base, les antennes et d'autres équipements de télécommunications génèrent une chaleur constante pendant leur fonctionnement.
• Nécessité de refroidissement : Des dissipateurs thermiques, des ventilateurs et des boîtiers climatisés sont essentiels pour maintenir la fiabilité des équipements et la disponibilité du service.

10. Systèmes de calcul à haute performance (HPC) :

• Production de chaleur extrême : Les systèmes HPC, utilisés dans la recherche scientifique, l'IA et l'analyse des mégadonnées, impliquent des clusters de calcul denses qui produisent une chaleur importante.
• Refroidissement avancé : Des systèmes de refroidissement par liquide, de refroidissement par immersion et de refroidissement à air sophistiqués sont essentiels pour gérer la chaleur et garantir un fonctionnement haute vitesse sans interruption.

Les accessoires thermiques sont indispensables dans un large éventail de produits électroniques, et pas seulement dans les FPGA. Ils jouent un rôle essentiel dans la dissipation de la chaleur, la prévention de la surchauffe et la garantie du fonctionnement fiable et efficace des dispositifs. Sans une gestion thermique appropriée, les produits électroniques peuvent souffrir de performances réduites, d'instabilité et de défaillances potentiellement catastrophiques. Le choix des solutions thermiques dépend des exigences spécifiques du produit, notamment sa consommation d'énergie, sa taille et son environnement opérationnel.

Techniques courantes de dissipation de la chaleur dans les solutions embarquées

Les techniques de dissipation de la chaleur sont plus que jamais cruciales, les systèmes devenant de plus en plus compacts et puissants. Les concepteurs peuvent utiliser plusieurs méthodes pour évacuer la chaleur des composants et des circuits imprimés, les mécanismes les plus courants étant les suivants :

Dissipateurs thermiques et ventilateurs de refroidissement - Les dissipateurs thermiques sont de grands composants métalliques thermoconducteurs, qui agissent comme des échangeurs de chaleur passifs, dissipant la chaleur dans l'air ambiant par conduction. L'ajout de ventilateurs de refroidissement aux dissipateurs thermiques contribue à une élimination plus rapide et plus efficace de la chaleur. Cette combinaison est l'une des méthodes les plus courantes et les plus efficaces pour refroidir les systèmes embarqués, en particulier dans les environnements à flux d'air limité.

Figure 1 : Ce dissipateur thermique avec ventilateur de refroidissement aide à dissiper la chaleur des composants sur lesquels il est monté. (Source de l'image : iWave)

Intégration de caloducs - Les caloducs sont des dispositifs de refroidissement utilisés dans les applications à haute température. Un caloduc typique est constitué d'un fluide qui absorbe la chaleur, se vaporise et se déplace le long du conduit. À l'extrémité condenseur, la vapeur redevient liquide et le cycle se répète. Les caloducs sont très efficaces et peuvent transférer la chaleur sur de longues distances. C'est pourquoi ils conviennent parfaitement aux dispositifs électroniques compacts et à haute densité.

Répartiteurs de chaleur - Les répartiteurs de chaleur ont une grande surface plane qui est généralement appliquée directement contre une autre grande surface plane. Ils permettent le transfert de chaleur d'un composant plus petit vers une surface métallique plus grande. Les répartiteurs de chaleur sont parfaits pour les dispositifs qui doivent résister à des chocs et des vibrations extrêmes, ou qui sont logés dans des conteneurs scellés. Ils offrent une solution robuste pour la gestion de la chaleur dans les systèmes embarqués scellés et renforcés.

Refroidisseurs thermoélectriques (TEC) - Les refroidisseurs thermoélectriques sont parfaits pour les systèmes dans lesquels la température des composants doit être maintenue à un niveau constant. Les processeurs à haute dissipation de puissance utilisent souvent une combinaison de refroidisseurs thermoélectriques et de systèmes de refroidissement à air et par liquide pour aller au-delà des limites du refroidissement à air conventionnel. Les refroidisseurs thermoélectriques peuvent refroidir les composants à des températures inférieures à la température ambiante, offrant ainsi un contrôle précis de la température.

Vias thermiques - Les matrices de vias thermiques sont intégrées sur des zones remplies de cuivre et placées à proximité des sources d'alimentation. Dans cette méthode, la chaleur circule des composants vers la zone en cuivre et se dissipe dans l'air depuis les vias. Les vias thermiques sont souvent utilisés dans les modules et composants de gestion de l'alimentation avec des pastilles thermiques, améliorant la conductivité thermique du circuit imprimé.

Systèmes de refroidissement par liquide - Les liquides peuvent transférer la chaleur quatre fois plus vite que l'air, ce qui permet des performances thermiques supérieures dans des solutions plus petites. Un système de refroidissement par liquide comprend une plaque froide ou une enceinte refroidie pour assurer l'interface avec la source de chaleur, une pompe ou un compresseur pour faire circuler le liquide, et un échangeur thermique pour absorber et dissiper la chaleur en toute sécurité. Le refroidissement par liquide est particulièrement efficace pour les applications haute puissance et les assemblages électroniques denses.

Solutions thermiques d'iWave

L'équipe d'experts en génie mécanique d'iWave conçoit des dissipateurs thermiques, des refroidisseurs actifs et des boîtiers adaptés aux caractéristiques thermiques spécifiques de leurs produits. Ils utilisent un logiciel de simulation thermique pour aider les ingénieurs à déterminer les méthodes de refroidissement les plus appropriées et à comprendre les paramètres thermiques associés, améliorant ainsi la fiabilité globale du produit.

Analyse des modèles de flux de chaleur

À l'aide d'outils tels qu'Ansys Icepak, les ingénieurs d'iWave peuvent simuler les modèles de flux de chaleur au sein d'un dispositif. Cette analyse permet d'identifier les hotspots thermiques et d'optimiser le placement des composants de refroidissement. En comprenant comment la chaleur se déplace dans un système, les ingénieurs peuvent concevoir des solutions de gestion thermique plus efficaces.

Conception de dissipateurs thermiques personnalisés

iWave conçoit des dissipateurs thermiques personnalisés pour répondre aux besoins uniques de chaque projet. Le processus de conception implique le calcul des valeurs théoriques de dissipation de chaleur en fonction de la surface et des propriétés des matériaux. Les ingénieurs testent ensuite ces conceptions à l'aide d'un logiciel de simulation pour garantir qu'elles fournissent un refroidissement adéquat dans diverses conditions de fonctionnement.

Méthodes de refroidissement pour dispositifs actifs

Les méthodes de refroidissement actif, telles que l'intégration de refroidisseurs thermoélectriques et de ventilateurs de refroidissement, sont également prises en compte lors de la phase de conception. iWave évalue les avantages et les limites de chaque méthode, et sélectionne la solution la plus efficace et la plus rentable pour chaque application.

Solutions thermiques pour tous les facteurs de forme

iWave propose des solutions thermiques pour tous les facteurs de forme, y compris OSM, SMARC, Qseven et SODIMM. Ces solutions utilisent l'alliage d'aluminium AL6063 en raison de ses excellentes propriétés matérielles. L'aluminium est un excellent conducteur, non toxique, recyclable et très durable, ce qui le rend idéal pour transférer la chaleur des composants.

Grâce à des solutions thermiques internes, les concepteurs de produits peuvent réduire les coûts de mise en œuvre en éliminant les retards d'ingénierie, les défaillances sur le terrain et les itérations de produits. La réduction de la quantité de chaleur dissipée par le dispositif améliore le rendement et la fiabilité, garantissant la longévité du produit.

Conclusion

La complexité et la densité de puissance croissantes des systèmes embarqués nécessitent des techniques de gestion thermique avancées. En utilisant une variété de méthodes de dissipation thermique, qu'il s'agisse de dissipateurs thermiques, de ventilateurs de refroidissement, de systèmes de refroidissement par liquide ou de vias thermiques, les concepteurs peuvent garantir des performances et une fiabilité optimales pour leurs dispositifs. Des entreprises comme iWave fournissent des solutions thermiques spécialisées, adaptées aux besoins spécifiques de leurs produits, en s'appuyant sur des outils de simulation avancés et des conceptions personnalisées pour relever les défis de l'électronique moderne.

Pour plus d'informations sur l'expertise d'iWave en matière de solutions thermiques, contactez-les directement.