بجلی کی فراہمی کے اہم تھرمل مینجمنٹ حل
تھرمل مینجمنٹ فزکس کے بنیادی اصولوں کی پابندی کرتی ہے۔ حرارت کی ترسیل کے تین طریقے ہیں: تابکاری، ترسیل اور نقل و حمل۔
زیادہ تر الیکٹرانک سسٹمز کے لیے، مطلوبہ ٹھنڈک حاصل کرنے کے لیے پہلے گرمی کو ترسیل کے ذریعے حرارت کے منبع سے نکلنے دینا ہے، اور پھر اسے کنویکشن کے ذریعے دوسری جگہوں پر منتقل کرنا ہے۔
تھرمل ڈیزائن کو انجام دیتے وقت، مطلوبہ ترسیل اور کنویکشن کو مؤثر طریقے سے حاصل کرنے کے لیے مختلف تھرمل مینجمنٹ ہارڈویئر کو یکجا کرنا ضروری ہے۔
کولنگ کے تین سب سے زیادہ استعمال ہونے والے اجزاء ہیں: ہیٹ سنک، ہیٹ پائپ اور پنکھے۔
ہیٹ سنک اور ہیٹ پائپ بغیر پاور سپلائی کے غیر فعال کولنگ سسٹم ہیں، جبکہ پنکھا ایک فعال جبری ہوا کولنگ سسٹم ہے۔
ریڈی ایٹر ایک ایلومینیم یا تانبے کا ڈھانچہ ہے جو ترسیل کے ذریعے حرارت کے منبع سے حرارت حاصل کر سکتا ہے اور حرارت کو ہوا کے بہاؤ (بعض صورتوں میں، پانی یا دیگر مائعات) میں منتقل کر سکتا ہے۔
ہیٹ سنک ہزاروں سائز اور شکلوں میں آتے ہیں، چھوٹے اسٹیمپڈ دھاتی پنکھوں سے جو ایک ہی ٹرانجسٹر کو کئی پنکھوں (انگلیوں) کے ساتھ بڑے اخراج سے جوڑتے ہیں جو ہوا کے بہاؤ کو روک سکتے ہیں اور اس میں حرارت منتقل کر سکتے ہیں۔
ریڈی ایٹر میں بغیر حرکت کرنے والے پرزے، آپریٹنگ اخراجات، ناکامی کے طریقوں وغیرہ کے فوائد ہیں۔
ایک بار جب ریڈی ایٹر گرمی کے منبع سے منسلک ہو جاتا ہے، جیسے ہی گرم ہوا بڑھے گی، قدرتی طور پر کنویکشن واقع ہو جائے گا، اس طرح ہوا کا بہاؤ شروع اور جاری رہے گا۔
اگرچہ ریڈی ایٹر استعمال کرنا آسان ہے، لیکن اس میں کچھ خرابیاں ہیں:
ریڈی ایٹر جو بڑی گرمی کو منتقل کرتا ہے بڑا، مہنگا، اور بھاری ہے، اور اسے صحیح طریقے سے رکھا جانا چاہیے، جو سرکٹ بورڈ کی جسمانی ترتیب کو متاثر کرے گا یا اسے محدود کرے گا۔
پنکھوں کو ہوا کے بہاؤ میں دھول سے روکا جا سکتا ہے، کارکردگی کو کم کرتا ہے؛
یہ گرمی کے منبع سے مناسب طریقے سے جڑا ہونا چاہیے تاکہ گرمی گرمی کے منبع سے ریڈی ایٹر تک آسانی سے بہہ سکے۔
حرارتی پائپ
یہ تھرمل مینجمنٹ سوٹ کا ایک اور اہم جز ہے، جو کسی بھی فعال فورسنگ میکانزم کے بغیر پوائنٹ A سے پوائنٹ B تک حرارت کو منتقل کر سکتا ہے۔
اس میں ایک سنٹرڈ کور اور کام کرنے والے سیال کی ایک مہر بند دھاتی ٹیوب ہوتی ہے۔ یہ بذات خود ایک ریڈی ایٹر کے طور پر کام نہیں کرتا ہے۔ اس کا کام گرمی کے منبع سے گرمی کو جذب کرنا اور اسے ٹھنڈے علاقے میں منتقل کرنا ہے۔
ہیٹ پائپ اس وقت استعمال کیے جا سکتے ہیں جب ریڈی ایٹر لگانے کے لیے حرارت کے منبع کے قریب کافی جگہ نہ ہو یا ہوا کا بہاؤ ناکافی ہو۔ ہیٹ پائپ میں کام کرنے کی اعلی کارکردگی ہوتی ہے اور وہ گرمی کو منبع سے ایسی جگہ منتقل کر سکتا ہے جس کا انتظام کرنا زیادہ آسان ہو۔
اس کا کام کرنے کا اصول سادہ اور ہوشیار ہے:
گرمی کا ذریعہ سیل بند ٹیوب میں کام کرنے والے سیال کو بھاپ میں تبدیل کرتا ہے، اور بھاپ گرمی کو ہیٹ پائپ کے ٹھنڈے سرے پر منتقل کرتی ہے۔ اس سرے پر، بخارات مائع میں گاڑھا ہو کر حرارت جاری کرتا ہے، جبکہ سیال گرم سرے پر واپس آ جاتا ہے۔
یہ گیس مائع کی تبدیلی کا عمل مسلسل چلتا ہے اور صرف سرد سرے اور گرم سرے کے درمیان درجہ حرارت کے فرق سے چلتا ہے۔ ریڈی ایٹر یا دوسرے کولنگ ڈیوائس کو سرد سرے پر جوڑنے سے مقامی گرم مقامات کی گرمی کی کھپت کا مسئلہ حل ہو سکتا ہے جہاں ہوا کا بہاؤ مسدود ہے۔
پنکھا
غیر فعال ریڈی ایٹرز اور ہیٹ پائپوں کو چھوڑ کر جبری ایئر کولڈ فعال ہیٹ سنک کی طرف یہ پہلا قدم ہے، لیکن پنکھے کے بھی نقصانات ہیں:
اعلی قیمت، جگہ کی ضرورت، نظام کے شور میں اضافہ؛
ناکامی کا شکار، توانائی استعمال کرتے ہیں اور پورے نظام کی کارکردگی کو متاثر کرتے ہیں۔
لیکن بہت سے معاملات میں، خاص طور پر جب ہوا کے بہاؤ کا راستہ خم دار، عمودی یا ہموار نہ ہو، تو وہ عام طور پر کافی ہوا کا بہاؤ حاصل کرنے کا واحد راستہ ہوتے ہیں۔
کلیدی پیرامیٹر جو پنکھے کی صلاحیت کی وضاحت کرتا ہے وہ ہے یونٹ کی لمبائی یا یونٹ والیوم کے بہاؤ کی شرح فی منٹ۔
تاہم، جسمانی سائز ایک مسئلہ ہے: کم گردش کی رفتار کے ساتھ ایک بڑا پنکھا وہی ہوا کا بہاؤ پیدا کر سکتا ہے جیسا کہ تیز گردش کی رفتار کے ساتھ ایک چھوٹے پنکھے سے ہوتا ہے، اس لیے سائز اور رفتار کے درمیان تجارت ہوتی ہے۔
ماڈلنگ اور جامع تخروپن
علیحدہ غیر فعال نظام سائز میں بڑے ہوتے ہیں، لیکن زیادہ قابل اعتماد اور موثر ہوتے ہیں، اور پنکھے ایسے حالات میں کردار ادا کر سکتے ہیں جہاں غیر فعال کولنگ اکیلے استعمال نہیں کی جا سکتی۔
کولنگ کے لیے کون سا سسٹم منتخب کرنا ہے اکثر ایک مشکل فیصلہ ہوتا ہے۔
اس وقت، یہ طے کرنا ضروری ہے کہ کتنی ٹھنڈک ہوا کی ضرورت ہے اور ماڈلنگ اور سمولیشن کے ذریعے ٹھنڈک کیسے حاصل کی جائے، جو کہ موثر تھرمل مینجمنٹ حکمت عملی کے لیے ضروری ہے۔
چھوٹے ماڈل کے لیے، حرارت کا منبع اور اس کے حرارت کے بہاؤ کا راستہ ان کی تھرمل مزاحمت سے نمایاں ہوتا ہے، اور تھرمل مزاحمت کا تعین استعمال شدہ مواد، معیار اور سائز سے ہوتا ہے۔
ماڈلنگ سے پتہ چلتا ہے کہ گرمی کے منبع سے گرمی کس طرح بہتی ہے اور یہ ان اجزاء کا جائزہ لینے کا پہلا قدم بھی ہے جو اپنی ہیٹ کی کھپت کی وجہ سے تھرمل حادثات کا سبب بنتے ہیں۔
مثال کے طور پر، ڈیوائس سپلائرز جیسے کہ ہائی ہیٹ ڈسپیشن ICs، MOSFETs، اور IGBTs عام طور پر تھرمل ماڈلز فراہم کرتے ہیں جو حرارت کے منبع سے آلے کی سطح تک تھرمل راستے کی تفصیلات فراہم کر سکتے ہیں۔
ایک بار جب ہر جزو کا تھرمل بوجھ معلوم ہو جاتا ہے، اگلا مرحلہ میکرو لیول پر ماڈل بنانا ہے، جو کہ سادہ اور پیچیدہ دونوں طرح سے ہے:
درجہ حرارت کو قابل اجازت حد سے نیچے رکھنے کے لیے مختلف حرارتی ذرائع سے ہوا کے بہاؤ کے سائز کو ایڈجسٹ کریں۔ درجہ حرارت کی صورتحال کو موٹے طور پر سمجھنے کے لیے بنیادی حساب کتاب کرنے کے لیے ہوا کا درجہ حرارت، غیر مجبور ہوا کے بہاؤ دستیاب بہاؤ، پنکھے کی ہوا کا بہاؤ اور دیگر عوامل استعمال کریں۔
اگلا مرحلہ ہر حرارتی منبع کے ماڈل اور مقام، پی سی بورڈ، شیل کی سطح اور دیگر عوامل کا استعمال کرنا ہے تاکہ پوری مصنوعات اور اس کی پیکیجنگ کی زیادہ پیچیدہ ماڈلنگ کی جا سکے۔
آخر میں، ماڈلنگ کو دو مسائل حل کرنے ہیں:
چوٹی اور اوسط کھپت کا مسئلہ۔ مثال کے طور پر، 1W کی مسلسل تھرمل کھپت کے ساتھ ایک مستحکم ریاست جزو اور 10W کی تھرمل کھپت کے ساتھ ایک آلہ لیکن 10% وقفے وقفے سے ڈیوٹی سائیکل کے ساتھ مختلف تھرمل اثرات ہوتے ہیں۔
کہنے کا مطلب یہ ہے کہ گرمی کی اوسط کھپت ایک جیسی ہے، اور متعلقہ گرمی کا ماس اور گرمی کا بہاؤ مختلف گرمی کی تقسیم پیدا کرے گا۔ زیادہ تر CFD ایپلی کیشنز جامد اور متحرک تجزیہ کو یکجا کر سکتی ہیں۔
جزو کی سطح اور چھوٹے ماڈل کے درمیان جسمانی تعلق کی خرابی، جیسے کہ IC پیکیج کے اوپری حصے اور ہیٹ سنک کے درمیان جسمانی تعلق۔
اگر کنکشن میں تھوڑا فاصلہ ہے، تو اس راستے کی تھرمل مزاحمت بڑھ جائے گی، اور راستے کی تھرمل چالکتا کو بڑھانے کے لیے رابطے کی سطح کو تھرمل پیڈ سے بھرنا ضروری ہے۔
تھرمل مینجمنٹ بجلی کی فراہمی اور اندرونی ماحول میں اجزاء کے درجہ حرارت کو کم کر سکتا ہے، جو مصنوعات کی زندگی کو طول دے سکتا ہے اور وشوسنییتا کو بہتر بنا سکتا ہے۔
لیکن تھرمل مینجمنٹ ایک مربوط تصور ہے، اگر اسے مختصراً توڑا جائے تو یہ ایک بہت بڑا موضوع ہے۔
اس میں سائز، طاقت، کارکردگی، وزن، وشوسنییتا، اور لاگت کی تجارت شامل ہے۔ منصوبے کی ترجیحات اور رکاوٹوں کا جائزہ لیا جانا چاہیے۔
