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

Lange Lebenszeit und hohe Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen und im industriellen Dauereinsatz: Das ist eine Grundanforderung an Embedded Computer.

Gleichzeitig steigt deren Rechenleistung, während Bauteile und Systeme immer kleiner werden. Damit eignen sich moderne System-on-Modules und Single-Board-Computer ideal für den Einsatz in autarken mobilen Systemen, in smarten Medizin- und Haushaltsgeräten, in Steuerungen für Solarenergie oder Ladesäulen für die Elektromobilität sowie zahlreichen weiteren Bereichen.

Je höher die Leistung und je kleiner das System, desto relevanter werden dabei Wärmeentwicklung und Kühlung der Embedded Systeme.

Wann ist die Kühlung eines Embedded Systems notwendig?

Embedded Computer und ihre Bauteile sind in der Regel bereits für einen erweiterten Temperaturbereich konzipiert und können bis auf Bauteil-Ebene passend zu den zu erwartenden Betriebstemperaturen im jeweiligen Use-Case gewählt werden.

Dazu gehört für PHYTEC auch, dass wir an kritischen Stellen zum Beispiel Kondensatoren der Qualitätsstufe X7R verwenden, die eine geringstmögliche Degeneration über den Lebenszyklus ausweisen und so ihre technischen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen und im gesamten Lebenszyklus beibehalten.

PHYTEC bietet Embedded Systeme in den drei Product Temperature Grades I – Industrial, X – Extended Commercial und C – Commercial an. Die Tabelle zeigt, für welche maximalen Temperaturwerte an Prozessoren, RAM und weiteren / passiven Komponenten diese ausgelegt sind.

Geringe Erwärmung sorgt für lange Lebensdauer und niedrige Ausfallraten

Unabhängig davon erreichen Embedded Systeme ihre maximale Lebensdauer und geringste Ausfallraten, wenn sie im Betrieb möglichst kühl bleiben. Eine Überhitzung kann zu schweren Schäden bis hin zum Defekt der gesamten Hardware führen.

Deshalb ist ein effizientes Wärmemanagement notwendig. Es stellt sicher, dass die Elektronik auch über einen langen Zeitraum und bei höheren Umgebungstemperaturen ihre Leistung beibehalten kann und nicht zum Schutz vor Überwärmung mit verringerter Taktzahl und Rechenleistung betrieben werden muss.

Das Ziel der Maßnahmen für das Wärmemanagement ist folglich der Betrieb mit möglichst geringer Erwärmung und optimaler Wärmeableitung.

Aktive oder passive Kühlung für den Prozessor?

Wenn die entstehende Wärme elektronischer Komponenten nicht komplett und ausreichend über die Bauteile selbst abgegeben werden kann, sind Maßnahmen zur Kühlung notwendig.

Dabei wird zwischen aktiver und passiver Kühlung unterschieden:

Eine aktive Kühlung, zum Beispiel mit Lüftern, ist sehr effektiv und funktioniert auch bei großen Wärmemengen bzw. starker Erwärmung. Dennoch eignet sie sich aufgrund ihrer mechanischen Bauteile und der benötigten Energie für Embedded Systeme eher weniger.

Hier werden passive Kühlungssysteme bevorzugt, die ohne zusätzliche bewegliche Teile auskommen. Sie benötigen keine Energie, erzeugen keine Geräusche und sind verschleiß- und wartungsfrei.