Introduction aux techniques de dissipation thermique sur les circuits imprimés

Thermomètre

 

 

Avez-vous déjà eu tellement chaud que vous vous sentiez fondre comme un glaçon ? Les étés ici en Californie du Sud sont torrides et je passe mon temps à rêver de glaces. Quand je rentre chez moi, j'adore mettre la clim à fond et m'imaginer vivre dans un iglou. Ceci dit, ce qui est pire que de fondre au soleil, c'est de voir tout l'argent qui s'évapore avec les factures de climatisation. Certains s'y prennent autrement pour se rafraîchir : ils refroidissent leur maison de manière passive grâce à une configuration géométrique ou à des échangeurs thermiques. Parfois j'ai envie de rire quand je vois une maison hideuse en forme de dôme géodésique, mais ce sont ces propriétaires qui, au final, restent au frais et économisent de l'argent. Le refroidissement de vos circuits imprimés peut être tout aussi problématique que celui de votre maison. Les systèmes de réduction de la chaleur sont énergivores et encombrants. Heureusement pour nous, le refroidissement passif fonctionne aussi pour les circuits imprimés. Parmi les principales techniques de refroidissement sans énergie se trouvent la convection naturelle, les dissipateurs thermiques et les échangeurs thermiques. Il y a même une technique révolutionnaire de refroidissement par pulvérisation qui devrait sortir dans les prochaines années.

Les avantages du passif par rapport à l'actif

D'habitude je préfère une technique de refroidissement active, comme la climatisation, à une technique passive, comme la transpiration excessive. Le problème du refroidissement actif dans les circuits imprimés, c'est l'énergie et l'espace qu'il nécessite.

La consommation d'énergie nous tombe toujours dessus sans prévenir. Je ne pense jamais aux centaines d'euros que je dépense pour rafraîchir ma maison, jusqu'à ce que je reçoive les factures. Pour les circuits, c'est pareil. Les principaux CI consomment déjà des tonnes de Watts, donc cela ne change pas grand-chose si on utilise un ventilateur à faible puissance. Eh bien, si vous avez une application à faible puissance, la consommation nécessaire supplémentaire pourrait écourter la longévité de la pile.

Certains concepteurs ont le privilège de disposer de tout l'espace dont ils ont besoin. Je ne suis, malheureusement, pas dans ce cas. Dans la plupart de mes projets, l'espace est une commodité rare. Je dois donc minimiser l'utilisation de composants à refroidissement actif gourmands en espace, comme les ventilateurs, pour laisser plus de place au circuit.

Les systèmes de refroidissement passif s'appuient sur les phénomènes naturels pour refroidir les cartes ; ils n'ont pas besoin d’énergie complémentaire pour fonctionner. Ils sont, en règle générale, plus petits que les systèmes actifs, même si cela peut varier en fonction de la forme choisie.

 

 

dissipateur thermique à ailettes
Les dissipateurs thermiques sont efficaces et garderont votre circuit imprimé au frais.

 

 

Systèmes de refroidissement passif

Il existe très certainement d'autres techniques de refroidissement que celles que je cite dans cet article. Cependant, voici les techniques de refroidissement les plus fréquemment utilisées.

 

  • La convection naturelle / les drains thermiques - La convection naturelle est telle que son nom l'indique. Cette méthode ne nécessite pas forcément le recours à des drains thermiques, mais ils conviennent bien à ce système. Lorsqu'ils sont placés correctement, les dissipateurs thermiques exploitent le flux naturel de l'air pour dissiper la chaleur sans utiliser d'énergie. Pour concevoir un dissipateur thermique optimal, vous allez devoir faire quelques calculs savants afin d'obtenir un flux d'air efficace et de minimiser la couche limite. Cette solution est extrêmement simple, mais demande plus d'espace que d'autres méthodes passives.

  • La conduction et la radiation / les répartiteurs thermiques - Alors que la convection concerne le transfert de la chaleur dans les éléments liquides, la radiation et la conduction font référence aux éléments solides. Les répartiteurs thermiques ne sont habituellement pas à la base de votre gestion thermique, mais ils la renforcent. En bref, toute pièce métallique agit en tant que répartiteur thermique, puisque c'est un conducteur d'énergie thermique. Pour optimiser la conduction et la radiation, vous devez vous efforcer d'orienter la chaleur vers les couches extérieures de votre carte, là où elle pourra être dissipée de manière plus efficace. Au lieu d'utiliser de l'électricité, vous pouvez utiliser des vias thermiques pour orienter la chaleur vers l'extérieur des cartes multi-couches. De grands plans d'alimentation et de masse vont également aider à dissiper la chaleur ; en effet une surface plus grande permettra une radiation plus efficace.

  • Les échangeurs thermiques - Les échangeurs thermiques sont souvent utilisés dans les appareils de climatisation classiques. Ils utilisent un fluide frigorigène ainsi qu'un cycle de vaporisation / condensation pour transférer la chaleur d'une partie à une autre. Les circuits imprimés sont dotés de deux types d'échangeurs thermiques : les tubes caloducs et les plaques froides. La principale différence entre ces deux éléments est leur facteur de forme : les tubes caloducs sont fins alors que les plaques froides sont larges. Ce type de système peut être très compact avec un transfert de la chaleur efficace. Il a également un faible taux de défaillance, puisqu'il s'agit d'un système autonome, sans aucune pièce mécanique.

  • Refroidissement par pulvérisation - Cette méthode expérimentale de refroidissement a un processus similaire à celui des échangeurs thermiques. La principale différence est que le liquide dans les échangeurs thermiques parcourt un chemin assez long à l'horizontale, alors qu'ici, il parcourt un chemin assez court à la verticale. L'avantage de ce système, c'est qu'il réagit automatiquement aux points chauds qui peuvent se former sur les circuits intégrés (CI). Par ailleurs, il peut gérer l'orientation et la radiation de l'énergie thermique, tout comme l'échangeur thermique, mais avec plus d'efficacité en raison de sa capacité d'orientation aussi bien horizontale que verticale.

 

 

PC brûlé
Voilà ce qui arrive quand vous oubliez la partie refroidissement.

 

 

Je ne vais peut-être pas pouvoir vous aider à combattre la chaleur estivale, mais ces techniques vous permettront de conserver vos cartes au frais. Par rapport à un système actif, tous ces processus vous feront économiser de l'énergie électrique ainsi que de l'espace dans vos circuits. Si ces deux éléments constituent un enjeu pour vous, essayez l'un de ces systèmes.

 

Maintenant que vous disposez d'un excellent système de refroidissement, vous allez avoir besoin du circuit imprimé qui l'accompagne. Si vous concevez des cartes, je vous conseille d'utiliser CircuitStudio. Sa large gamme d'outils avancés vous aidera à rester au frais pendant que vous créerez vos routages.

 

Vous avez d'autres questions concernant la gestion thermique ? Appelez un expert Altium.

 
 
 
 
 
 
 
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