Miniaturisierte Flüssigkeitskühlung für PCs der nächsten Generation: Warum der Treiber-IC der Schlüssel ist

1. Einleitung
2. Das Mikrokanalproblem
3. Stromverbrauch
4. Geräuschloser Betrieb
5.AM BESTEN
6. Schlussfolgerung

Einführung
Smartphones werden jedes Jahr dünner. AR- und VR-Headsets werden immer kompakter. Obwohl Nutzer unterschiedliche Vorlieben hinsichtlich Größe und Aussehen haben, erwartet jeder ein Headset, das stundenlang bequem getragen werden kann. Diesen Tragekomfort zu erreichen, stellt jedoch erhebliche Herausforderungen an das Wärmemanagement und das Systemdesign. Mit jeder neuen Generation werden Smart Wearables leistungsstärker und benötigen weniger Platz. Diese leistungsstarken und leichten Laptops konkurrieren nun um Rechenleistung und Gewicht.
Allen diesen Trends ist gemeinsam, dass sie mehr Wärme auf kleinerem Raum erzeugen.
In der neuesten PC-Generation kommen leistungsstärkere und dichter bestückte Chips zum Einsatz, und diese Leistungssteigerung lässt sich mit herkömmlichen Wärmemanagementlösungen nicht mehr auffangen. Die Werkzeuge, die die Ingenieure über Jahre hinweg verwendet haben, stoßen an ihre Grenzen.
Die ultradünnen Heatpipes verteilen die Wärme zwar effizient, sind aber bei dauerhaft hoher Last nicht schnell genug. Dampfkammern bieten zwar eine große Wärmeverteilungsfläche, sind aber für viele Gerätetypen zu dick und schwer. Miniaturlüfter können einige Probleme lösen, bringen aber auch andere mit sich. Sie verursachen Geräusche und benötigen Platz, der bei kompakten Geräten nicht zur Verfügung steht. Passive Kühlkomponenten kommen nur bei geringer Last zurecht und versagen bei kurzzeitigen, hohen Hitzespitzen.
In der Branche ist eine neue Methode erforderlich. Miniatur-Flüssigkeitskühlung Es handelt sich um eine spezielle Kühlmethode. Die Miniaturisierung eines herkömmlichen Wasserkühlkreislaufs birgt Probleme, die über die reine Verkleinerung hinausgehen und gelöst werden müssen, bevor dies für dünne Smartphones, leichte AR-Headsets oder smarte Wearables möglich ist. Die meisten dieser Probleme werden im Bereich der miniaturisierten Flüssigkeitskühlpumpe (dem Treiber- und Steuerungssystem) gelöst.

Das Mikrokanalproblem: Hohe Leistung führt zu hohem Widerstand
Mikrokanal-Wärmetauscher werden in miniaturisierten Flüssigkeitskühlsystemen eingesetzt, um eine maximale Wärmeübertragungsfläche auf kleinstem Raum zu erzielen. Diese Strukturen verfügen über Kanäle mit Durchmessern von einigen zehn bis zu mehreren hundert Mikrometern. Die Wärmeübertragungsfläche ist im Verhältnis zum Kühlmittelvolumen in diesem Maßstab sehr groß. Dies ist ideal für eine effiziente Wärmeabfuhr auf engstem Raum.
Die Strömungsdynamik stellt bei Mikrokanälen ein ernstes Problem dar. Fließt eine Flüssigkeit durch sehr enge Öffnungen, ist der Widerstand aufgrund der Viskosität hoch. Dieser Widerstand wird als Gegendruck bezeichnet. Je kleiner die Kanäle, desto größer ist der Gegendruck bei gleicher Durchflussrate.
Der Gegendruck, den die Mikrokanal-Kühlplatte erzeugen kann, reicht aus, um die kleine Pumpe in einem Smartphone-Kühlsystem oder einem Thermomodul eines VR-Headsets vollständig zum Stillstand zu bringen. Der Betriebsdruck einer Pumpe, die für die Flüssigkeitskühlung in Desktop- oder Serverumgebungen vorgesehen ist, ist völlig anders. Eine kleinere Pumpe würde in dieser Umgebung nicht die erwartete Leistung erbringen.
Dies muss vom Treiber-IC der Miniaturpumpe berücksichtigt werden. Er muss eine konstante Förderleistung auch bei stark schwankendem Gegendruck gewährleisten. Der Treiber muss diesen Druckanstieg erfassen und die Treiberparameter anpassen, um einen konstanten Durchfluss zu erreichen, wenn eine oder beide der folgenden Bedingungen zutreffen: wenn die Viskosität des Kühlmittels temperaturabhängig ist oder ein Durchflussweg teilweise verengt ist. Ein Treiber, der dazu nicht in der Lage ist, führt unter Last zum Pumpenstillstand, wodurch der Kühlmittelfluss unterbrochen wird und die Temperatur des Kühlchips rapide ansteigt. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer thermischen Abschaltung oder zu dauerhaften Schäden. Dadurch ist der Treiber-IC kein „vorgefertigtes“ Bauteil in einem miniaturisierten Flüssigkeitskühlsystem. Er ist die Komponente, die die Funktionsweise des Systems im tatsächlichen Betrieb steuert.

Stromverbrauch: Das Kühlsystem darf nicht der Feind der Batterie sein.
Alle Smartphones sind akkubetrieben; AR-Headsets haben begrenzte Akkukapazitäten; auch Smartwatches benötigen Akkus; dünne und leichte Laptops verfügen über extrem geringe Energiereserven. Jedes Milliwatt zählt. Ein Wärmemanagementsystem, das kontinuierlich spürbar Strom verbraucht, übernimmt einen Teil der Aufgaben des Shuttles. Es erzeugt zusätzliche Wärme zur Wärmeabfuhr und beschleunigt die Akkuentladung.
Ein kleiner Treiber-IC für Flüssigkeitskühlung ist eine Lösung für dieses Problem. Ziel ist es, dem System jederzeit genau die benötigte Pumpenleistung bereitzustellen.
Die Wärmeabgabe des Chips ist bei geringer Last niedrig. Der Kühlmitteldurchfluss kann reduziert werden. Die Pumpe läuft mit reduzierter Drehzahl, und der Treiber senkt den Durchfluss schnell. Bei einem plötzlichen Anstieg der Rechenlast erhöht der Treiber-IC die Pumpendrehzahl umgehend, um die entstehende Wärmelast zu bewältigen. Sobald die Last nachlässt, wird die Pumpendrehzahl entsprechend reduziert, wodurch eine effiziente Kühlung bei minimalem Energieverbrauch gewährleistet wird.
Im Normalbetrieb wird der durchschnittliche Stromverbrauch des Kühlsystems durch dieses dynamische Energiemanagement im Milliwattbereich gehalten. Der Treiber-IC erreicht dies durch hocheffiziente Leistungswandlerschaltungen und Algorithmen, die die Pumpenleistung dynamisch an den thermischen Bedarf in Echtzeit anpassen.
Bei batteriebetriebenen Wearables, Smartwatches und Geräten mit einem Gesamtleistungsbedarf von wenigen hundert mW ist diese Effizienz mehr als nur ein Leistungsparameter. Sie ermöglicht nämlich überhaupt erst den Einsatz von Flüssigkeitskühlung in diesen Geräten.

Geräuschloser Betrieb: Geräusche sind ein Qualitätsmangel.
Die meisten Nutzer finden einen Lüfter in ihrem Laptop. Ein AR-Headset mit einem Lüfter an den Ohren ist kein Lüfter im eigentlichen Sinne. Jegliche Geräusche einer Pumpe oder Vibrationen der Flüssigkeit auf der Haut, wenn die Smartwatch getragen wird, sind sofort spürbar. Bei den persönlichen Geräten der nächsten Generation betrachten Verbraucher einen leisen Betrieb jedoch nicht mehr als Luxusmerkmal, sondern als Grundvoraussetzung.
Durch einfache Rechteck- oder Sprungsignale an Miniaturpumpen werden elektromagnetische Störungen und mechanische Schwingungsharmonische erzeugt. Diese Harmonischen liegen bei den Betriebsfrequenzen der Pumpen in einem Bereich, der akustisch hörbar und physisch wahrnehmbar ist. Das System ist heiß, erzeugt aber keine Geräusche oder Vibrationen für das Endprodukt.
Um dieses Problem zu beheben, steht ein hochwertiger Treiber-IC zur Verfügung, der sinusförmige Ansteuersignale oder eine sinusförmige Frequenzregelung ermöglicht. Der Treiber unterbricht den Pumpenmotor nicht, sondern erzeugt gleichmäßige sinusförmige Ströme, wodurch eine kontinuierliche, gleichmäßige Rotorbewegung entsteht. Dadurch werden Schaltharmonische, die wie bei einem Schaltregler elektromagnetische Störungen verursachen, eliminiert. Zudem werden die mechanischen Vibrationen, die vom Pumpengehäuse auf das gesamte Gerätegehäuse übertragen werden und von den Anwendern wahrgenommen oder gehört werden können, reduziert.
Dies gewährleistet einen gleichmäßigen und leisen Betrieb der Pumpe über den gesamten Betriebsbereich. Der Unterschied zwischen Rechteck- und Sinuswellenansteuerung ist bei AR- und VR-Headsets, bei denen sich das Gerät direkt am Ohr des Nutzers befindet, besonders deutlich. Gleiches gilt für Wearables, die direkt auf der Haut getragen werden, da deren vibrationsfreier Betrieb ebenfalls unerlässlich ist.

BESTAR: Engagiert für die Spitzentechnologie der Flüssigkeitskühlung
AM BESTEN Das Unternehmen verfügt über umfangreiches, über viele Jahre erworbenes Wissen in den Bereichen Präzisions-Elektroakustikkomponenten, piezoelektrische Technologie und mikroelektromechanische Systeme. Dieses Wissen über die Arbeit im Mikromaßstab in den Bereichen Schwingungsdämpfung, Energieumwandlung und Miniaturisierung von Aktuatoren kann direkt auf die Entwicklung von Treibern für miniaturisierte Flüssigkeitskühlungen angewendet werden.
Die Vision von AM BESTEN Für die nächste Generation von Personalcomputer-Endgeräten – Smartphones, AR und VR, smarte Wearables und leistungsstarke, dünne und leichte Laptops – wird die Flüssigkeitskühlung der Treibertechnologie zu einem Kernmerkmal werden.
Die kontinuierliche Entwicklungsarbeit hat zu konkreten Fortschritten bei der Bewältigung der zentralen technischen Herausforderungen in diesem Bereich geführt. AM BESTEN. Sowohl auf der fundamentalen Ebene als auch auf der Ebene der intelligenten Steuerung, AM BESTEN hat sowohl mit der miniaturisierten Hardware als auch mit der Firmware gearbeitet, die den zuverlässigen Betrieb miniaturisierter Flüssigkeitskühlsysteme in realen Produktanwendungen ermöglicht. Die Anwendung dieses Wissens auf die eigentlichen Komponenten und die Steuerungstechnik wird Folgendes ermöglichen: AM BESTEN Den Kunden eine Komplettlösung und nicht nur einzelne Lösungsteile anzubieten.

Abschluss
Durch die Annahme der Flüssigkeitskühlung Mit diesem Ansatz im Miniaturmaßstab bewegen sich leistungsstarke Personalcomputer in diese Richtung. Die strengen Miniaturisierungsvorgaben und die begrenzten Leistungsdichten der Chips lassen nur wenige Optionen zu. Das Wärmemanagement bleibt eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Smartphones, AR- und VR-Headsets sowie Smart Wearables, die permanent Gesundheitsparameter überwachen und nun auch Edge-Computing-Funktionen nutzen.
AM BESTENDie Ingenieure von [Name des Unternehmens] unterstützen Kunden bei der Lösung thermischer Herausforderungen für moderne PC-Geräte. Ob Sie ein AR/VR-Headset, ein Smart Wearable, einen dünnen und leichten Hochleistungslaptop oder ein Smartphone-Projekt entwickeln und miniaturisierte Flüssigkeitskühlung als Lösung für das Wärmemanagement in Betracht ziehen – wir möchten von Ihnen erfahren.
Kontakt AM BESTEN und beginnen Sie die Diskussion, gehen Sie die nächsten Schritte hin zu einer Wärmemanagementlösung, die auf die Herausforderungen der nächsten Generation persönlicher Geräte zugeschnitten ist.