Warum Kühlung für Embedded Prozessoren wichtig ist und was Sie dabei beachten sollten

Möglichkeiten für ein effizientes Wärmemanagement von embedded Hardware

Für die passive Kühlung der Hardware in Embedded Systemen haben sich mehrere Verfahren etabliert, die einzeln oder kombiniert zum Einsatz kommen können:

• Gehäuse können so gestaltet sein, dass sie einen optimalen natürlichen Luftstrom gewährleisten – entweder im Gehäuse selbst, oder außen am Gehäuse, sodass an das Gehäuse übertragene Wärme abgeführt wird.
  
  
• Kühlkörper werden auf hitzeerzeugende Komponenten wie Controller, Power-Management-ICs (PMICs) und Ram-Bausteine aufgeklebt. Sie haben häufig eine große Oberfläche, um die Wärme effizient an die Umgebung abzuleiten. Solche Heatsinks können auch als Puffer dienen, um kurzzeitige Wärmeentwicklung aufzunehmen und zu verteilen.
  
  
• Heatspreader, auch als Wärmeleitplatten oder Wärmeleitbleche bezeichnet, leiten Wärme ebenfalls von der Quelle weg und geben sie ab. Zum Beispiel an einen Kühlkörper, oder wenn die Hitze im Gehäuse selbst nicht mehr abgeführt werden kann, zur besseren Verteilung der Wärme an das Gehäuse eines Systems oder an dessen Umgebung.
  
  
• Wärmeleitpads oder Wärmeleitpaste kommen in Verbindung mit fast allen genannten Kühlelementen zum Einsatz. Sie ermöglichen einen bestmöglichen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlkörper und vermeiden Luftlücken.
  
  
• Daneben gibt es noch weitere Optionen, Wärmemanagement und Kühlung zu beeinflussen, zum Beispiel durch Regulierung der Umgebungsbedingungen oder durch Lastüberwachung und dynamische Steuerung des Prozessors.

Was passiert, wenn Embedded Prozessoren überhitzen?

Erreichen Embedded Prozessoren bestimmte Temperaturwerte, werden zunächst Taktung und Spannung der Rechenkerne reduziert. Das als "Dynamic Voltage and Frequency Scaling" bezeichnete Verfahren zur Drosselung der Prozessorleistung ist im Linux-BSP definiert. 

Bei Tests und der Auswahl einer Kühllösung ist zu berücksichtigen, dass dann auch die zur Verfügung stehende Rechenleistung reduziert ist. Alternativ und ergänzend ist auch die Steuerung eines Lüfters zur aktiven Kühlung – soweit vorhanden – im BSP integriert. 

Kritische Temperaturwerte führen darüber hinaus zu einer Notabschaltung der Prozessoren, um Totalausfall und Defekt zu verhindern. Dieses Verhalten und die Konsequenzen – zum Beispiel wie ein System dann zurückgesetzt und neu gestartet werden kann – sollten beim Design ebenfalls berücksichtigt werden.

Beispiel der gemessenen Wärmeentwicklung eines Single-Board-Computers mit phyCORE-i.MX 8M Plus System-on-Module, mit Kühlkörper und aktiver Kühlung durch einen Lüfter sowie mit reduzierter Prozessorleistung.

Wie dimensioniere ich eine passive Kühlung für mein Embedded System?

Wärmeentwicklung, Kühlbedarf und die Auswahl und Dimensionierung der erforderlichen Komponenten erfordern umfassendes Fachwissen und Erfahrung.

Zunächst müssen dafür die Umgebungsbedingungen für den Einsatz der Elektronik bekannt bzw. festgelegt sein. Die thermische Spezifikation des Prozessors und weiterer Komponenten sowie Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung unter verschiedenen Last-Szenarien geben Aufschluss über den Kühlbedarf. Diese Werte können simuliert und mit einem Prototyp im Labor validiert werden.

Thermografiebilder wie hier für ein Projekt mit i.MX 8M Plus Prozessor geben Aufschluss über Wärmeentwicklung und Kühlbedarf eines Embedded Prozessors.

Simulation und Labortests zur Dimensionierung des Embedded Kühlsystems

Für die Auswahl der passenden Kühlkörper wird deren Wärmewiderstand und mögliche Leistungsaufnahme mit den Daten von Simulation oder Labortests verglichen. In Verbindung mit weiteren Anforderungen und Bedingungen, wie zum Beispiel dem vorhandenen Platz und der Beschaffenheit des Gehäuses, ergibt sich daraus das ideal für die Anwendung geeignete Kühlsystem.

So unterstützt PHYTEC Kunden bei der Auswahl eines Kühlsystems für Embedded Prozessoren

PHYTEC unterstützt seine Kunden mit umfassenden Daten zu den eigenen System-on-Modules und Single-Board-Computern sowie für kundenspezifische Elektroniken.

Dazu gehören Temperaturmessungen für unsere Elektroniken, die für verschiedene Einsatzszenarien unter Voll- und Teillast sowie ggf. unter Einbezug einer aktiven Kühlung durchgeführt wurden.

Für unsere eigenen Prozessormodule bieten wir verschiedene, bewährte Heatspreader als Standard-Zukaufteile inklusive Montageanleitung an, die individuell an Gehäuse und Kühlkörper adaptiert werden können.

Auf Wunsch übernehmen wir auch die Berechnung und Simulation passender Kühlelemente und beraten Kunden mit umfassendem Know-how und bezogen auf ihre konkreten Anwendungen.