بجلی کی فراہمی آپریشن کے دوران گرمی پیدا کرتی ہے، اور درجہ حرارت میں مسلسل اضافہ کارکردگی میں تبدیلیوں کا باعث بنتا ہے، جو بالآخر سسٹم کی ناکامی کا باعث بن سکتا ہے۔ اس کے علاوہ، گرمی بھی اجزاء کی زندگی کو قصر اور طویل مدتی وشوسنییتا کو متاثر کرے گا.
حرارت پیدا کرنے والا جزو، یہاں تک کہ اگر درجہ حرارت میں اضافہ اس کی قابل اجازت حد سے بڑھ جائے، پورے نظام کو گرم کرنے کا سبب بنتا ہے، اس کا لازمی مطلب یہ نہیں ہے کہ پورا نظام زیادہ گرم ہو گیا ہے، لیکن جزو کی طرف سے پیدا ہونے والی اضافی حرارت کو ختم کر دینا چاہیے۔
تو گرمی کہاں جاتی ہے؟
کسی ٹھنڈے مقام پر، یا تو سسٹم اور کیس سے ملحق، یا کیس سے باہر (صرف اس صورت میں ممکن ہے جب باہر کا حصہ اندر سے ٹھنڈا ہو)۔
تھرمل مینجمنٹ سلوشنز
تھرمل مینجمنٹ فزکس کے بنیادی اصولوں کی پیروی کرتا ہے، اور حرارت کو چلانے کے تین طریقے ہیں: تابکاری، ترسیل، اور کنویکشن۔
زیادہ تر الیکٹرانک سسٹمز کے لیے، مطلوبہ ٹھنڈک حرارت کے منبع سے گرمی کو دور کر کے اور پھر اسے کنویکشن کے ذریعے کہیں اور منتقل کر کے حاصل کی جاتی ہے۔
تھرمل ڈیزائن کو مطلوبہ ترسیل اور کنویکشن کو مؤثر طریقے سے حاصل کرنے کے لیے مختلف تھرمل مینجمنٹ ہارڈویئر کے امتزاج کی ضرورت ہوتی ہے۔
تین سب سے زیادہ استعمال ہونے والے کولنگ عناصر ہیں: ہیٹ سنک، ہیٹ پائپ، اور پنکھے۔
ہیٹ سنک اور ہیٹ پائپ غیر فعال کولنگ سسٹم ہیں جن کو بجلی کی فراہمی کی ضرورت نہیں ہے، جبکہ پنکھے ایک فعال جبری ہوا کولنگ سسٹم ہیں۔
گرمی سنک
ہیٹ سنک ایک ایلومینیم یا تانبے کا ڈھانچہ ہے جو حرارت کے ذریعہ سے حرارت کو ترسیل کے ذریعہ حاصل کرتا ہے اور حرارت کو ہوا کے بہاؤ (کچھ معاملات میں پانی یا دیگر مائعات) میں منتقل کرتا ہے۔
ریڈی ایٹرز کی مختلف اقسام
ہیٹ سنک ہزاروں سائز اور شکلوں میں آتے ہیں، چھوٹے سٹیمپڈ دھات کے پنکھوں سے جو انفرادی ٹرانجسٹروں کو بہت سے پنکھوں (انگلیوں) کے ساتھ بڑے اخراج سے جوڑتے ہیں جو محرک ہوا کے بہاؤ کو روکتے ہیں اور حرارت کو اس ہوا کے بہاؤ میں منتقل کرتے ہیں۔
ہیٹ سنکس کا فائدہ ہے کہ کوئی حرکت پذیر پرزے نہ ہونے، چلانے کے اخراجات، ناکامی کے طریقوں اور بہت کچھ۔
ایک بار جب ہیٹ سنک گرمی کے منبع سے منسلک ہو جاتا ہے تو، گرم ہوا کے بڑھنے کے ساتھ، ہوا کا بہاؤ شروع ہونے اور جاری رکھنے کے ساتھ کنویکشن قدرتی طور پر ہوتا ہے۔
اگرچہ ہیٹ سنک استعمال کرنے میں آسان ہیں، لیکن کچھ خرابیاں ہیں:
1. ہیٹ سنک جو بڑی مقدار میں حرارت منتقل کرتے ہیں وہ بھاری، مہنگے اور بھاری ہوتے ہیں، اور انہیں صحیح طریقے سے رکھا جانا چاہیے، جو سرکٹ بورڈ کی جسمانی ترتیب کو متاثر کرے گا یا اسے محدود کرے گا۔
2. پنکھوں کو ہوا کے بہاؤ میں دھول سے روکا جا سکتا ہے، کارکردگی کو کم کر دیتا ہے۔
3. اسے گرمی کے منبع سے مناسب طریقے سے جوڑا جانا چاہیے تاکہ گرمی گرمی کے منبع سے ریڈی ایٹر تک آسانی سے بہہ سکے۔
حرارتی پائپ
یہ تھرمل مینجمنٹ کٹ کا ایک اور اہم جز ہے، جو کسی بھی فعال فورسنگ میکانزم کے بغیر پوائنٹ A سے پوائنٹ B تک حرارت کو منتقل کرتا ہے۔
اس میں ایک سنٹرڈ کور اور کام کرنے والے سیال کی ایک مہر بند دھاتی ٹیوب ہے جو خود ہیٹ سنک کے طور پر کام نہیں کرتی ہے، بلکہ گرمی کے منبع سے گرمی جذب کرتی ہے اور اسے ٹھنڈے علاقے میں منتقل کرتی ہے۔
ہیٹ پائپ اس وقت استعمال کیے جا سکتے ہیں جب گرمی کے منبع کے قریب ہیٹ سنک کے لیے کافی جگہ نہ ہو یا جب ہوا کا بہاؤ ناکافی ہو۔
حرارت کے پائپ موثر طریقے سے کام کرتے ہیں اور گرمی کو منبع سے زیادہ قابل انتظام مقام پر منتقل کرتے ہیں۔
کام کرنے کے اصول:
گرمی کا ذریعہ سیل بند ٹیوب کے اندر کام کرنے والے سیال کو بھاپ میں بدل دیتا ہے، اور بھاپ گرمی کو ہیٹ پائپ کے ٹھنڈے سرے تک لے جاتی ہے۔ اس سرے پر، بخارات ایک مائع میں گاڑھا ہو کر حرارت جاری کرتا ہے، اور سیال گرم سرے پر واپس آجاتا ہے۔
یہ گیس مائع حالت کی منتقلی کا عمل مسلسل چلتا ہے اور صرف سرد اور گرم سروں کے درمیان درجہ حرارت کے فرق سے چلتا ہے۔
ٹھنڈے سرے پر ہیٹ سنک یا دوسرے کولنگ ڈیوائس کو جوڑنے سے مقامی گرم مقامات سے گرمی کی کھپت کا مسئلہ حل ہوسکتا ہے جہاں ہوا کا بہاؤ مسدود ہے۔
پنکھا
یہ زبردستی ہوا سے ٹھنڈا ایکٹو کولنگ ڈیوائس کی طرف پہلا قدم ہے، غیر فعال ریڈی ایٹرز اور ہیٹ پائپوں کو کھودنا، لیکن پرستاروں کا اپنا سر درد بھی ہے:
1. لاگت میں اضافہ، جگہ کی ضرورت ہے، اور نظام کے شور میں اضافہ؛
2. یہ ناکامی کا شکار ہے، توانائی استعمال کرتا ہے اور پورے نظام کی کارکردگی کو متاثر کرتا ہے۔
لیکن بہت سے معاملات میں، خاص طور پر جب ہوا کے بہاؤ کا راستہ خم دار، عمودی، یا رکاوٹ کا شکار ہو، تو وہ اکثر مناسب 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 حجم فی منٹ ہوا کا بہاؤ۔
اگرچہ جسمانی سائز ایک مسئلہ ہے: کم رفتار پر ایک بڑا پنکھا تیز رفتاری سے چھوٹے پنکھے کی طرح ہوا کا بہاؤ پیدا کر سکتا ہے، اس لیے سائز کی رفتار سے تجارت ہوتی ہے۔
ماڈلنگ اور جامع تخروپن
اسٹینڈ ایلون غیر فعال نظام سائز میں بڑے ہوتے ہیں لیکن زیادہ قابل اعتماد اور موثر ہوتے ہیں، جبکہ پنکھے ایسے حالات میں کام 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 ہو سکتا ہے۔
یہ وہ جگہ ہے جہاں ماڈلنگ اور تخروپن کی ضرورت ہے اس بات کا تعین کرنے کے لیے کہ کتنی کولنگ کی ضرورت ہے اور اسے کیسے حاصل کیا جائے، جو تھرمل مینجمنٹ کی موثر حکمت عملی کے لیے اہم ہے۔
چھوٹے ماڈلز کے لیے، حرارت کے ذرائع اور گرمی کے بہاؤ کے لیے ان کے راستے ان کی تھرمل مزاحمت سے متصف ہوتے ہیں، جس کا تعین استعمال شدہ مواد، بڑے پیمانے اور سائز سے ہوتا ہے۔
ماڈلنگ یہ بتاتی ہے کہ حرارت کے منبع سے گرمی کیسے نکلتی ہے ان اجزاء کی جانچ کرنے کا پہلا قدم بھی ہے جو اپنے ہی حرارت کی کھپت کی وجہ سے تھرمل ناکامی کا سبب بنتے ہیں۔
ڈیوائس فراہم کرنے والے جیسے کہ ہائی ہیٹ ڈسپیشن ICs، MOSFETs، اور IGBTs اکثر تھرمل ماڈل فراہم کرتے ہیں جو حرارت کے منبع سے آلے کی سطح تک تھرمل راستے کی تفصیلات فراہم کرتے ہیں۔
ایک بار جب مختلف اجزاء کے تھرمل بوجھ معلوم ہو جاتے ہیں، اگلا مرحلہ میکرو لیول پر ماڈل بنانا ہے، جو اتنا ہی آسان ہے جتنا کہ یہ پیچیدہ ہے:
گرمی کے مختلف ذرائع سے ہوا کا بہاؤ اس کے درجہ حرارت کو قابل اجازت حدوں سے نیچے رکھنے کے لیے سائز کیا جاتا ہے۔ درجہ حرارت کے حالات کا اندازہ لگانے کے لیے بنیادی حسابات ہوا کے درجہ حرارت، غیر جبری ہوا کا بہاؤ دستیاب، پنکھے کی ہوا کا بہاؤ، اور دیگر عوامل کا استعمال کرتے ہوئے کیے جاتے ہیں۔
اس کے بعد ہر حرارتی منبع کے ماڈل اور مقام، پی سی بورڈ، کیس کی سطح اور دیگر عوامل کا استعمال کرتے ہوئے پوری پروڈکٹ اور اس کی پیکیجنگ کی زیادہ پیچیدہ ماڈلنگ آتی ہے۔
آخر میں، ماڈلنگ کو دو مسائل حل کرنے ہیں:
1. چوٹی اور اوسط کھپت کا مسئلہ۔ مثال کے طور پر ایک مستحکم حالت کا جزو جو 1W گرمی کو مسلسل ضائع کرتا ہے اس کا تھرمل اثر کسی ایسے آلے سے مختلف ہوتا ہے جو 10W گرمی کو ختم کرتا ہے لیکن اس کا 10 فیصد وقفے وقفے سے ڈیوٹی سائیکل ہوتا ہے۔
اس کا مطلب ہے کہ گرمی کی اوسط کھپت ایک جیسی ہے، اور متعلقہ تھرمل ماس اور گرمی کا بہاؤ مختلف گرمی کی تقسیم پیدا کرے گا۔ زیادہ تر CFD ایپلی کیشنز کا تجزیہ جامد اور متحرک کے امتزاج سے کیا جا سکتا ہے۔
2. اجزاء اور مائیکرو ماڈل سطحوں کے درمیان جسمانی رابطوں میں خامیاں، جیسے کہ IC پیکج کے اوپری حصے اور ہیٹ سنک کے درمیان جسمانی تعلق۔
اگر کنکشن میں چھوٹی پچ ہے، تو اس راستے کی تھرمل مزاحمت بڑھ جائے گی، اور راستے کی تھرمل چالکتا کو بڑھانے کے لیے رابطے کی سطح پر تھرمل پیڈ کو بھرنا ضروری ہے۔
تھرمل مینجمنٹ بجلی کی فراہمی اور اندرونی ماحول میں اجزاء کے درجہ حرارت کو کم کر سکتا ہے، جو مصنوعات کی سروس کی زندگی کو طول دے سکتا ہے اور وشوسنییتا کو بہتر بنا سکتا ہے۔
