Priorisieren Sie die Kühlung bei der Entwicklung eines eingebetteten Systems
Angesichts der zunehmenden Dichte eingebetteter Elektronik ist die Wärmeableitung heute einer der wichtigsten Aspekte, die bei der Entwicklung eines Gehäuses berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der Modularität von SFF-Systemen (Small Form Factor) gibt es kein Patentrezept, was die Komplexität des Wärmemanagements in den heutigen Embedded-Computersystemen erhöht. Die Verwendung etablierter Designprinzipien auf der Grundlage eines ganzheitlichen Systemansatzes ermöglicht es Herstellern, maßgeschneiderte Gehäuse für moderne Elektronikanwendungen herzustellen und gleichzeitig die Konstruktionskosten auf ein Minimum zu reduzieren und die Wärmeprofile stabil zu halten.
Gehäuse für anspruchsvolle Umgebungen
In der heutigen eingebetteten Elektronik müssen Systeme nicht nur effektiv funktionieren, sondern auch starken Vibrationen, Stößen und elektromagnetischen Störungen standhalten. SFF-Systeme haben neue Wege für den Einsatz eingebetteter Elektronik beschritten und sind in vielen robusten und mobilen Anwendungen zu finden. (Abbildung 1).
Heutige Gehäuse dienen nicht mehr nur dazu, Komponenten zu schützen und an ihrem Platz zu halten. Sie sind zu einem wichtigen Bestandteil des Gesamtsystems geworden, das im Wesentlichen als Erweiterung der Elektronik im Inneren anerkannt wird. Jedes Designelement — vom verwendeten Material über die verwendete Konstruktion bis hin zu den erforderlichen Dichtungstechniken — wird daraufhin untersucht, wie es zum Betrieb, zum Schutz und zur Zuverlässigkeit des Systems beitragen kann, um die thermischen Eigenschaften eines Systemgehäuses zu maximieren.
Je mehr Systeme für den mobilen Einsatz konzipiert sind, desto komplexer werden die thermischen Herausforderungen. Computersysteme müssen häufig unterschiedlichen Temperaturen, Vibrationen, Staub und Feuchtigkeit standhalten. Daher müssen elektronische Gehäuse auch diesen Umwelteinflüssen standhalten können, um die darin enthaltene Elektronik zu schützen und den Anforderungen heutiger Anwendungen gerecht zu werden.
Bewältigung thermischer Herausforderungen
Entwickler eingebetteter Systeme entwickeln verschiedene Möglichkeiten, um die Wärmeableitung durch das Gehäuse zu optimieren. Dank der immer kleiner werdenden Elektronik können Systeme in kompakteren Umgebungen eingesetzt werden, was jedoch zwei große Designhürden mit sich bringt:
1. Die Komponenten werden zu Mehrzweckeinheiten zusammengefasst, sodass weitere Komponenten, auch Funktionen genannt, hinzugefügt werden können. Je mehr Komponenten hinzugefügt werden, desto mehr Wärme und weniger Stellen, an denen sie aus dem System abfließen kann, entsteht.
2. SFF-Plattformen sind bestrebt, die meisten Funktionen auf kleinstem Raum unterzubringen. Da sich die gesamte Fläche verdichtet, bleibt dem Konstrukteur konstruktionsbedingt weniger Platz für die Wärmeabfuhr.
Die Nachfrage nach angemessener Kühlung und verstärkter Abschirmung in kleineren Gehäusen hat an Priorität gewonnen, da Systeme mehr Leistung benötigen, um zu funktionieren, während die Anzahl und Dichte der Komponenten zugenommen hat. (Abbildung 2)
Wärme ableiten
Gehäuse werden in der Regel durch Luft- oder Konduktionskühlung gekühlt. Erst vor Kurzem kamen die Konzepte der Flüssigkeits- und Dampfkühlung auf. Diese neuen Konzepte ermöglichen ein effektives Wärmemanagement, das auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden kann.
Unabhängig davon, welche Methode zur Wärmeableitung in einem Gehäuse gewählt wird, besteht der wichtigste erste Schritt darin, herauszufinden, wo sich die „Hotspots“ des Systems befinden. Sobald dies verstanden ist, können die richtigen Methoden zur Wärmeableitung verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Software zur thermischen Simulation während der Entwurfsphase bei der Eingabe aller Programmvariablen und der Überprüfung einer angemessenen Systemkühlung helfen.
Ein modulares System kann einen Teil der Kosten ausgleichen, wie z. B. die Geräuschreduzierung durch temperaturgeregelte Lüfter mit variabler Drehzahl, die Überwachung von Lüfterausfällen und die Erhöhung des Systembetriebs über Drehzahlmesser und Lüfter mit verriegeltem Rotorausgang, um bestimmte Kompromisse bei der Konstruktion auszugleichen.
Die meisten Hindernisse, die frühzeitig angegangen werden, können leicht überwunden werden. Wenn beispielsweise der Luftstrom als Kühlmethode verwendet wird, gehören zu den gängigen Techniken zur Minimierung von Schaltschränken:
- Verringerung der Luftleckage im Montagebereich des Lüfters, um die einströmende Luft richtig zu lenken und zu optimieren
- Optimierung des Luftstroms und Beseitigung von Hotspots mithilfe von Luftleitblechen oder Lüftungsöffnungen
- Minimierung von Luftstrombeschränkungen durch Vermeidung radikaler Biegungen, die die Luftbewegung behindern
Auch wenn sich neuere Kühlkonzepte weiterentwickeln, entdecken die Entwickler die jeweils einzigartigen Herausforderungen und Techniken zur Risikominderung. Obwohl luftgekühlte Designs immer noch dominieren, gibt es einige „Faustregeln“, die dabei helfen, den Weg für eine optimale Kühlung mit dieser Methode zu ebnen:
- Der Einlassdurchmesser des Lüfters sollte kleiner sein als der Luftstromausschnitt der Lüftermontageplatte
- Verwenden Sie den geschätzten statischen Druck, um Lüfter und Gebläse auszuwählen, deren Leistung bei mehr als 60% des Maximums für „freie Luft“ liegt
- Platzieren Sie Objekte im Lufteinlassbereich, der mehr als 1/2 Zoll vom Lüfterdurchmesser entfernt ist
Passen Sie Ihr Gehäuse an
Die Anpassung eines modularen Gehäusedesigns bietet eine Vielzahl kostengünstiger Möglichkeiten, die der Geschwindigkeit, Flexibilität, Last und einer Vielzahl anderer Designfaktoren gerecht werden, die für den Systembetrieb wichtig sind. Der Schlüssel liegt darin, sich weiterhin darauf zu konzentrieren, die Anpassungsanforderungen mit der Packungsdichte und Leistung in Einklang zu bringen. Dies ist umso wichtiger bei Prototypen und kleineren Projekten mit geringem Volumen, um die Kosten und die Markteinführungszeit besser verwalten zu können.
Da die Elektronik immer kleiner wird, werden die Konstrukteure weiterhin neue Wege finden, um die abgegebene Wärme abzuleiten. Wenn Sie die kostengünstigen und praktikablen Lösungen für die Systementwicklung kennen und modulare Konzepte in Gehäusedesigns integrieren, können Sie die unterschiedlichsten ökologischen und technischen Anforderungen der heutigen eingebetteten Anwendungen besser bewältigen. Schauen Sie sich das an breites Spektrum an Gehäusen, Baugruppenträgern und Zubehör um die für Sie passende Konfiguration zu finden.
