임베디드 보드 열 관리 솔루션

기고: 디지키 (DigiKey)의 Tawfeeq Ahmad

엣지 프로세싱 증가, 성능 향상, 임베디드 플랫폼의 소형화로 인해 전력 소비와 열 발생이 증가하여 열 핫스팟이 생성되었습니다. 열 스트레스는 임베디드 시스템의 성능을 크게 저하시키고 심지어 전체 시스템 오류를 일으킬 수도 있습니다. 과도한 열에 장기간 노출되면 전자 부품의 수명도 단축됩니다.

열 관리 기술을 이해하는 것은 장치를 최적의 작동 상태로 유지하는 데 필수적입니다. 전자 산업의 발전으로 인해 시스템 안정성과 성능을 향상시키기 위한 혁신적인 열 관리 기술에 대한 필요성이 커졌습니다. Market Research Future에 따르면 글로벌 열 관리 시장은 2030년까지 203억 달러에 도달할 것으로 예상되며 2022년에서 2030년 사이에 8%의 CAGR로 성장할 것입니다.

열 액세서리는 작동 중에 발생하는 열로 인해 FPGA뿐만 아니라 다양한 전자 제품에서 필수적입니다. 적절한 열 관리가 이러한 장치에서 성능, 안정성 및 수명을 유지하는 데 필수적입니다. 다양한 제품에 열 액세서리가 중요한 이유에 대한 추론은 다음과 같습니다.

1. 마이크로프로세서와 CPU:

• 열 발생 : CPU는 특히 고성능 컴퓨터와 서버에서 집약적인 계산 작업으로 인해 상당한 열을 발생시킵니다.
• 열 액세서리 : 방열판, 열 페이스트, 냉각 팬은 열을 발산하고, 열 조절을 방지하고, 안정적인 성능을 보장하는 데 중요한 요소입니다.

2. 그래픽 처리 장치(GPU):

• 높은 전력 소비 : GPU는 특히 게임, AI, 데이터 처리에 사용되면 많은 전력을 소비하고 상당한 양의 열을 발생시킵니다.
• 열 관리 : 최적의 온도를 유지하고 과열을 방지하며 고성능을 유지하려면 대형 방열판, 팬, 때로는 액체 냉각 장치와 같은 냉각 솔루션이 필요합니다.

3. 전원 공급 장치(PSU):

• 열 발산 : 전원 공급 장치는 AC를 DC 전원으로 변환하는데, 이때 상당한 에너지가 열로 손실됩니다.
• 냉각 솔루션 : 팬을 이용한 능동 냉각과 방열판을 이용한 수동 냉각은 전원 공급 장치의 효율성과 수명을 유지하는 데 필수적입니다.

4. 메모리 모듈(RAM, DRAM):

• 작동 안정성 : 고속 메모리 모듈은 열을 발생시킬 수 있으며, 이 열을 제대로 관리하지 않으면 데이터 손상이나 시스템 불안정으로 이어질 수 있습니다.
• 열 액세서리 : 히트 스프레더와 냉각 팬은 열을 발산하고 데이터 무결성과 속도를 유지하는 데 사용됩니다.

5. 네트워킹 장비(라우터, 스위치):

• 연속 작동 : 네트워크 장비는 종종 24시간 내내 작동하기 때문에 지속적으로 열이 발생합니다.
• 냉각 요구 사항 : 일관된 성능을 보장하고 고장을 방지하려면 히트싱크, 팬, 때로는 환경 냉각(서버실의 에어컨과 같은)이 필요합니다.

6. 임베디드 시스템:

• 컴팩트한 설계의 과제 : 임베디드 시스템은 방열이 어려운 제약적인 환경에서 작동하는 경우가 많습니다.
• 열 솔루션 : 맞춤형 방열판, 열 패드, 냉각 기능이 있는 특수 인클로저가 이러한 소형 시스템의 열을 관리하는 데 사용되어 산업 및 자동차 애플리케이션에서 안정성을 보장합니다.

7. 모바일 기기(스마트폰, 태블릿):

• 열적 제약 : 모바일 기기는 냉각을 위한 공간이 제한되어 있고 크기가 작지만, 열을 발생시키는 고성능 프로세서와 배터리를 사용합니다.
• 혁신적인 냉각 : 열 조절, 흑연 열 분산기, 첨단 소재와 같은 기술을 사용하여 장치 크기를 늘리지 않고도 열을 관리합니다.

8. 배터리 및 전력 저장:

• 안전성 및 수명 : 배터리는 특히 전기 자동차와 대용량 저장 시스템의 경우 충전 및 방전 중에 열을 발생합니다.
• 열 관리 : 액체 냉각, 열 관리 시스템, 내열 재료를 포함한 냉각 시스템은 과열을 방지하는 데 필수적입니다. 과열은 배터리 수명을 단축시키거나 심지어 위험한 상황을 초래할 수 있습니다.

9. 통신 장비:

• 지속적인 열 부하 : 기지국, 안테나 및 기타 통신 장비는 작동 중에 지속적인 열을 생성합니다.
• 냉각 필수품 : 방열판, 팬 및 온도 조절형 인클로저는 장비의 안정성과 서비스 가용성을 유지하는 데 필수적입니다.

10. 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템:

• 극심한 열 발생 : 과학 연구, AI, 빅데이터 분석에 사용되는 HPC 시스템은 상당한 열을 생성하는 고밀도 컴퓨팅 클러스터를 포함합니다.
• 첨단 냉각 : 액체 냉각, 침지 냉각, 정교한 공기 냉각 시스템은 열을 관리하고 중단 없는 고속 작동을 보장하는 데 필수적입니다.

열 액세서리는 FPGA뿐만 아니라 광범위한 전자 제품에 없어서는 안 될 필수품입니다. 이는 열을 발산하고, 과열을 방지하고, 장치가 안정적이고 효율적으로 작동하도록 하는 데 중요한 역할을 합니다. 적절한 열 관리가 없으면 전자 제품은 성능 저하, 불안정성 및 잠재적으로 치명적인 고장을 겪을 수 있습니다. 열 솔루션의 선택은 전력 소비, 크기 및 운영 환경을 포함한 제품의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다.

임베디드 솔루션의 일반적인 방열 기술

열 발산 기술은 그 어느 때보다 중요해졌으며, 시스템은 점점 더 작아지고 강력해지고 있습니다. 설계자는 여러 가지 방법을 사용하여 구성 요소와 PCB에서 열을 제거할 수 있으며, 일반적인 메커니즘은 다음과 같습니다.

히트싱크와 냉각 팬 – 히트싱크는 표면이 크고 열 전도성이 있는 금속 부품으로, 수동 열 교환기 역할을 하며 전도를 통해 주변 공기로 열을 발산합니다. 히트싱크에 냉각 팬을 추가하면 열을 더 빠르고 효과적으로 제거하는 데 도움이 됩니다. 이 조합은 특히 공기 흐름이 제한된 환경에서 임베디드 시스템을 냉각하는 가장 일반적이고 효과적인 방법 중 하나입니다.

냉각 팬이 있는 히트싱크는 장착된 구부품들의 열을 발산하는 데 도움이 됩니다. (이미지 출처: iWave )

히트 파이프 통합 – 히트 파이프는 고온 응용 분야에서 사용되는 냉각 장치입니다. 일반적인 히트 파이프는 열을 흡수하고 증발하여 파이프를 따라 이동하는 유체로 구성됩니다. 응축기 끝에서 증기는 다시 액체로 바뀌고 사이클이 반복됩니다. 히트 파이프는 매우 효율적이며 장거리에 걸쳐 열을 전달할 수 있어 소형 및 고밀도 전자 장치에 이상적입니다.

히트 스프레더 – 히트 스프레더는 일반적으로 다른 큰 평평한 표면에 직접 눌려 있는 큰 평평한 표면을 가지고 있습니다. 이를 통해 더 작은 구성 요소에서 더 큰 금속 표면으로 열을 전달할 수 있습니다. 히트 스프레더는 극심한 충격과 진동을 견뎌야 하거나 밀폐된 용기에 보관되는 장치에 이상적입니다. 견고하고 밀폐된 임베디드 시스템에서 열을 관리하기 위한 견고한 솔루션을 제공합니다.

열전 냉각기(TEC) – 열전 냉각기는 구성 요소 온도를 일정하게 유지해야 하는 시스템에 이상적입니다. 고전력 소모 프로세서는 종종 TEC, 공기 냉각 및 액체 냉각을 결합하여 기존 공기 냉각 한계를 넘어 확장합니다. TEC는 구성 요소를 주변 온도보다 낮은 온도로 냉각하여 정밀한 온도 제어를 제공할 수 있습니다.

열 비아 – 열 비아 어레이는 구리로 채워진 영역 위에 통합되고 전원 근처에 배치됩니다. 이 방법에서 열은 구성 요소에서 구리 영역으로 흐르고 비아에서 공기를 통해 소산됩니다. 열 비아는 종종 열 패드가 있는 전원 관리 모듈 및 구성 요소에 사용되어 PCB의 열 전도도를 향상시킵니다.

액체 냉각 시스템 – 액체는 공기보다 4배 더 빠르게 열을 전달하여 더 작은 솔루션에서 더 높은 열 성능을 발휘할 수 있습니다. 액체 냉각 시스템에는 열원과 인터페이스하는 냉각판 또는 냉각된 인클로저, 액체를 순환시키는 펌프 또는 압축기, 열을 안전하게 흡수하고 발산하는 열교환기가 포함됩니다. 액체 냉각은 고전력 애플리케이션과 밀집된 전자 어셈블리에 특히 효과적입니다.

iWave의 열 솔루션

iWave의 기계 엔지니어 전문가 팀은 제품의 특정 열 특성에 맞게 히트싱크, 팬 싱크 및 인클로저를 설계합니다. 그들은 열 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 엔지니어가 가장 적합한 냉각 방법을 결정하고 관련 열 매개변수를 이해하도록 돕고 궁극적으로 전반적인 제품 신뢰성을 향상시킵니다.

열 흐름 패턴 분석

Ansys Icepak과 같은 도구를 사용하여 iWave 엔지니어는 장치 내에서 열 흐름 패턴을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 분석은 열 핫스팟을 식별하고 냉각 구성 요소의 배치를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 엔지니어는 열이 시스템을 통과하는 방식을 이해함으로써 보다 효과적인 열 관리 솔루션을 설계할 수 있습니다.

맞춤형 히트싱크 디자인

iWave는 각 프로젝트의 고유한 요구 사항에 맞는 맞춤형 방열판을 설계합니다. 설계 프로세스에는 표면적과 재료 특성을 기반으로 이론적 열 발산 값을 계산하는 것이 포함됩니다. 그런 다음 엔지니어는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이러한 설계를 테스트하여 다양한 작동 조건에서 적절한 냉각을 제공하는지 확인합니다.

활성 장치의 냉각 방법

TEC와 냉각 팬을 통합하는 것과 같은 능동적 냉각 방법도 설계 단계에서 고려됩니다. iWave는 각 방법의 이점과 한계를 평가하여 각 애플리케이션에 가장 효율적이고 비용 효율적인 솔루션을 선택합니다.

모든 폼 팩터에 대한 열 솔루션

iWave는 OSM, SMARC, Qseven, SODIMM을 포함한 모든 폼 팩터에 대한 열 솔루션을 제공합니다. 이러한 솔루션은 뛰어난 재료 특성으로 인해 알루미늄 합금 AL6063을 활용합니다. 알루미늄은 뛰어난 도체이며 무독성이고 재활용 가능하며 내구성이 뛰어나 구성 요소에서 열을 전달하는 데 이상적입니다.

사내 열 솔루션을 통해 제품 설계자는 엔지니어링 지연, 현장 오류 및 제품 반복을 제거하여 구현 비용을 줄일 수 있습니다. 장치에서 발산되는 열량을 줄이면 효율성과 안정성이 향상되어 제품의 수명이 보장됩니다.

결론

임베디드 시스템의 복잡성과 전력 밀도가 증가함에 따라 고급 열 관리 기술이 필요합니다. 히트싱크와 냉각 팬부터 ​​액체 냉각 시스템 및 열 비아에 이르기까지 다양한 열 발산 방법을 채택함으로써 설계자는 장치의 최적의 성능과 안정성을 보장할 수 있습니다. iWave와 같은 회사는 제품의 특정 요구 사항에 맞게 조정된 특수 열 솔루션을 제공하며, 고급 시뮬레이션 도구와 맞춤형 설계를 활용하여 현대 전자 제품의 과제를 충족합니다.