Gehäuse Flexible Entwärmungsstrategien für Single-Board-Computer

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Single-Board-Computer sind sehr beliebt im Umfeld privater Anwendungen und im Bereich der Ausbildung. Die Anforderungen der Industrie konnten lange Zeit nicht erfüllt werden. Das ändert sich derzeit, doch die Anforderungen im industriellen Umfeld sind ganz andere: Das beginnt bei der Auswahl der Gehäuse und gipfelt in Entwärmungsstrategien für stark geforderte SBC.

Im Consumer-Bereich werden häufig einfach aufgebaute Kühlkörperlösungen angeboten, die simpel auf die zu kühlenden Prozessoren aufgeklebt werden. Die damit erreichbare Reduzierung der Prozessortemperatur ist demnach nicht besonders hoch.

Gezielt auf die Applikation abgestimmte Entwärmungskonzepte finden sich eher selten im Markt. Das speziell für den Einbau von Embedded Systemen und Single-Board-Computer (SBC) entwickelte Gehäuse Universal Case System UCS von Phoenix Contact ist zur Aufnahme von Entwärmungskonzepten erweitert worden. Integrierbare Kombinationen aus Kühlkörpern und Wärmespreizern kühlen hoch belastete Bauteile und Prozessoren effektiv auf passive Weise. Aus thermischer Sicht sorgen optimal gestaltete Kühlkörper in Verbindung mit auf die Anwendung angepassten Wärmespreizern für eine bestmögliche passive Entwärmung lokaler Wärmequellen.

SBC, aber auch eigenentwickelte Elektronik mit hoch taktenden Prozessoren und der damit verbundenen Wärmeabgabe, benötigen anpassbare Entwärmungslösungen. Das kann ein einfaches Einbringen von Öffnungen in das Gehäuse sein oder aber ein auf die Anwendung bezogenes gezieltes Entwärmungskonzept. Idealerweise passiv ausgeführt, um die Zuverlässigkeit nicht zu beeinträchtigen. Mit den neuen Kühlkörper-Wärmespreizerlösungen für die Gehäuse der Serie Universal Case System UCS können Geräte realisiert werden, denen von thermischer Seite ein langes Leben ermöglicht wird.

Die auf der Hand liegenden Vorteile von Kunststoffgehäusen wie geringes Gewicht, elektrisch isolierend und vereinfachte Bearbeitung werden durch die Integration der Kühlkörper-Wärmespreizerlösungen ideal ergänzt. Diese Lösungen sind so flexibel wie das ganze Gehäusesystem selbst.

Entwärmungskonzept im Detail

Die Kühlkörper sind gezielt auf das Gehäusesystem UCS und die darin typischerweise eingebaute Elektronik hin konstruiert. Ziele waren ein optimaler thermischer Pfad bei gleichzeitig geringem Gewicht, eine integrative Lösung und die Ausnutzung des UCS-Baukastensystems mit nahezu keiner Einschränkung in der Kombination der einzelnen Bauteile des Systems.

Das komplette Entwärmungssystem für die Gehäusefamilie UCS basiert auf folgenden Komponenten:

• Kühlkörper zum Einsatz in der Gehäusehalbschale

• Wärmespreizer zur Generierung des optimalen thermischen Pfads

• Kühlkörper als Seitenwand ausgeführt

Grundlegend besteht die Möglichkeit, die Kühlkörper in mehrere UCS-Gehäusegrößen zu integrieren. Und genau dort, wo lokale Hot-Spots auftreten. Das bedeutet, der kleinere Kühlkörper UCS HS 145-125 für die Gehäusegröße 125-87 kann ebenso in allen größeren Varianten bis zur Gehäusegröße 237-195 eingesetzt werden. Das gilt auch für die größere Variante UCS HS 145-125. Beiden gemein ist, dass diese Gehäuse mit einem der zwei Wärmespreizer verbunden werden können. Bei Vorhandensein mehrerer Hotspots können diese Wärmespreizer natürlich kombiniert werden. Die Wärmespreizer werden auf die Applikation bezogen kalibriert und individuell auf dem Kühlkörper positioniert. Somit ist es möglich, jederzeit das Gerät thermisch optimal auszurüsten.

Um den thermischen Pfad optimal auszulegen, muss besonderes Augenmerk auf einem geringen thermischen Widerstand liegen. Das ermöglicht ein optimales Zusammenspiel aus Kühlkörper, Wärmespreizer und thermischem Interface Material (TIM). Ein geringer thermischer Widerstand Rth hat zur Folge, dass das Gerät auch in herausfordernder thermischer Umgebung betrieben werden kann. Je kleiner der thermische Widerstand, desto größer das Temperaturfenster für den Betrieb des Geräts. Und das mit erhöhter Lebensdauer.

Wärmespreizer individuell in der Höhe anpassbar

Thermisch relevante Bereiche auf heutigen Boards weisen typischerweise unterschiedliche Bauhöhen auf. Auch hier ist es von Vorteil, einen individuell in der Höhe anpassbaren Wärmespreizer UCS HSP einzusetzen. Dieser wird individuell auf der dafür vorbereiteten Kontaktfläche des Kühlkörpers UCS HS-HH positioniert und verschraubt. Die Wärmespreizer sind in zwei Abmessungen erhältlich. Die für den Kontakt zum Hotspot zur Verfügung stehende Fläche ist 22 mm x 22 mm oder 50 mm x 50 mm. Die Höhe wird an die entsprechenden Bauteile angepasst.

Die Kombination aus Kühlkörper und Wärmespreizer wird über Abstandsbolzen mit der Leiterplattenbaugruppe verbunden. Die Kombination erhält hierdurch den notwendigen Anpressdruck und somit thermischen Kontakt. Durch die Lage der Abstandsbolzen ergibt sich die passende Höhe. Das verfügbare Portfolio unterstützt die optimale Positionierung und Befestigung verschiedener Leiterplatten.

Bedrahtete thermisch belastete Bauelemente wie Transistoren können mit dem Seitenwandkühlkörper UCS HS-SW optimal gekühlt werden. Dieser ist speziell für diesen Einsatzzweck entwickelt. Die integrierte Auflagefläche für die Leiterplatte unterstützt die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung. Die Leiterplatte wird direkt mit dem Kühlkörper mit der Auflagefläche verschraubt.

Die bekannte größtmögliche Flexibilität des UCS-Baukastens findet sich auch in den Entwärmungslösungen wieder. Somit sind auf Basis dieses Baukastens unzählige Lösungen für den Anwendenden möglich. Das bedeutet, zahlreiche Anwendungsfälle und Individualisierungen sind direkt aus dem Baukasten umsetzbar. Eine kundenspezifische Bedruckung der Gehäuseteile in Kombination mit der Bedruckung der Kühlkörper auf der dafür vorgesehenen Fläche rundet das System ab.

Somit stehen verschiedene skalierbare Möglichkeiten der Entwärmung zur Verfügung. Beginnend mit gelochten oder geschlitzten Gehäuseelementen, der zusätzlichen Verwendung von Aluminiumseitenwänden bis zur integrativen Kühlkörper-Wärmespreizerlösung. Für nahezu jede thermische Herausforderung bietet das Gehäusesystem eine Lösungsmöglichkeit.

Aus der Praxis: Kühlleistung um 60 Prozent steigern

Wie verhält sich das System in der Praxis? Basierend auf den Daten eines marktüblichen SBC wurde die Kühlkörper-Wärmespreizerkombination in die Simulation integriert. Gegenüber handelsüblichen Plug-and-play-Lösungen erweist sich die Kombination als deutlich effektiver. Die Abfuhr der Verlustwärme konnte bis zu 100 Prozent gesteigert werden. Was aber ebenso deutlich wurde, ist der Einfluss der Ausrichtung der Kühlfinnen. Bei Ausnutzung der natürlichen Konvektion konnte die Kühlleistung bis zu 60 Prozent gesteigert werden. Dieses Verhalten sollten Anwendende bei der Auswahl des Gehäuses und des dazugehörigen Entwärmungssystems beachten. (Bild 4)

Um die Gehäusesysteme der Familie Universal Case System UCS optimal zu nutzen, können Anwendende auf umfangreiche Services zugreifen. Startend mit der umfangreichen Dokumentation lassen sich online die verschiedenen Gehäusevarianten selektieren.

Zur raschen Auswahl des richtigen Gehäuses steht dem Entwickelnden auf der Internetseite von Phoenix Contact ein Konfigurator zur Verfügung (Link siehe unten). Zunächst wird das Gehäuse ausgewählt – mit den Parametern Anwendung, Größe, Grundfarbe, Leiterplattenvorauswahl und integriertem Kühlkörper. Diese Vorauswahl erfolgt über den Formfaktor oder über die Abmessungen. Nun zieht man das Gehäuse von der Vorauswahl per Drag-and-drop in das Ansichtsfeld. Nach der Positionierung der Leiterplatte werden weitere Zubehörteile ausgewählt. Weiter geht es mit der farblichen Zusammenstellung der Komponenten.

Individuell und schnell dank Bearbeitungskonfigurator

Nach dieser grundsätzlichen Selektion aus dem Baukastensystem folgt die Auswahl der individuellen Anschlusstechnik. Mit dem Bearbeitungskonfigurator werden dann Standardausbrüche wie etwa DSUB-9, aber auch weitere Ausbrüche jeglicher Art gewählt. Auch eine individuelle Bedruckung kann hier definiert werden. Das Resultat der Auswahl lässt sich in der 3D-Ansicht öffnen und in verschiedenen Dateiformaten herunterladen. Die durch die Konfiguration erzeugte Lösungs-ID kann der Entwickelnde dann für eine darüberhinausgehende Lösung zur Anfrage im Service-Center nutzen. Im Dialog werden die thermischen Gegebenheiten abgestimmt und somit eine optimale Lösung erarbeitet.

Zusätzlich zu den benannten Services steht dem Anwendenden eine Simulationsdienstleistung zur thermischen Betrachtung und Optimierung eines Phoenix Contact Elektronikleergehäuses inkl. Anschlusstechnik und der kundenindividuellen Leiterplatte zur Verfügung. Wenn die Online-Simulation bereits in Anspruch genommen wurde und grobe thermische Parameter geklärt sind, bietet sich eine komplette Simulation mit hohem Detaillierungsgrad an. Diese kann den Entwickelnden bei der Finalisierung des Leiterplatten-Layouts sinnvoll unterstützen.

Nach Bereitstellung relevanter Parameter und detaillierter Leiterplattendaten, idealerweise im ODB++ Format, kann in der Simulation eine Aussage über das thermische Verhalten ermittelt werden. Somit können unterschiedliche Lastfälle bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen bereits im Vorfeld betrachtet werden.

Dabei werden alle Layoutdaten der Leiterplatte in Form von ODB++ Daten oder anderen Formaten für die Simulation berücksichtigt, um eine möglichst exakte Aussage über das spätere thermische Verhalten der Gesamtapplikation zu erlangen. Hier können dann die Ergebnisse bei unterschiedlichen Lastfällen und Umgebungsbedingungen durchgespielt werden.

Industrietaugliche Gehäuse für SBC jeglicher Art

Das Universal Case System UCS ist neben den bekannten Raspberry-Pi-Varianten ebenso in der Lage, an weitere Single-Board-Computer angepasst zu werden.

Der modulare Aufbau unterstützt die einfache Anpassung an die entsprechende Anwendung. Und genau dort stoßen viele Gehäuse am Markt an ihre Grenzen. Neben dem modularen Aufbau unterstützt auch die Materialauswahl bei UCS den Einsatz im industriellen Umfeld. Die verwendeten Kunststoffe weisen neben der mechanischen Stabilität auch ein hohes Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen auf.

Zusammengefasst ergeben sich folgende Anforderungen an das Gehäuse:

• Industrietaugliche Materialien

• Robustheit

• Anpassung der Schnittstellen auf die Anwendung einfach realisierbar

• Das Gehäuse muss verschiedenen Einbausituationen genügen

• Flexible Entwärmungsstrategien

Das Universal Case System UCS wird stetig erweitert, insbesondere im Bereich des Zubehörs, aber auch bei einzelnen Komponenten. Zu den zwei Grundfarben gesellen sich mittlerweile acht Farbvarianten für die sogenannten Eckeinleger. Im Zusammenspiel mit den Adaptern zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen ergeben sich hunderte von Varianten. Mit dem Zubehör kann das Gerät in verschiedenen Applikationen eingesetzt werden. Liegend oder stehend auf dem Tisch, gestapelt oder an der Wand. Einem Einsatz des Geräts im Schaltschrank steht auch nichts im Weg: einfach eine Seitenwand durch den entsprechenden Tragschienenadapter ersetzen.

* Ralf Bißmeier ist Manager Product Marketing Electronics Housings bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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