Refroidissement liquide miniature pour les appareils informatiques personnels de nouvelle génération : le rôle crucial du circuit intégré de commande

1. Introduction
2. Le problème des microcanaux
3. Consommation d'énergie
4. Fonctionnement silencieux
5.MEILLEUR
6. Conclusion

Introduction
Les smartphones s'amincissent d'année en année. Les casques de réalité augmentée et de réalité virtuelle sont de plus en plus compacts. Si les préférences en matière de taille et d'apparence peuvent varier, tous les utilisateurs s'attendent à un casque confortable à porter pendant des heures. Atteindre ce niveau de confort pose toutefois des défis importants en matière de gestion thermique et de conception du système. À chaque nouvelle génération, les objets connectés intelligents gagnent en puissance tout en étant plus compacts. Ces ordinateurs portables ultra-performants et légers rivalisent désormais en termes de puissance de calcul et de poids.
Ce que toutes ces tendances ont en commun, c'est une production de chaleur plus importante dans un espace réduit.
Les PC de dernière génération utilisent des puces plus puissantes et plus denses, et les solutions de refroidissement traditionnelles ne peuvent compenser cette augmentation de puissance. Les outils utilisés par les ingénieurs depuis des années arrivent en fin de vie.
Les caloducs ultra-fins sont efficaces pour dissiper la chaleur, mais leur vitesse est insuffisante en cas de forte charge continue. Les chambres à vapeur offrent une grande surface de dissipation thermique, mais elles deviennent trop épaisses et trop lourdes pour de nombreux appareils. Les ventilateurs miniatures peuvent apporter quelques solutions, mais d'autres inconvénients apparaissent : ils sont bruyants et nécessitent un espace conséquent, incompatible avec la conception compacte des appareils. Les systèmes de refroidissement passif sont efficaces en cas de faible charge et ne parviennent pas à gérer les pics de chaleur importants et brefs.
Une nouvelle méthode est nécessaire dans ce secteur. Refroidissement liquide miniature Il s'agit du type de refroidissement. La miniaturisation d'un circuit de refroidissement liquide traditionnel pose des problèmes qui vont bien au-delà d'une simple réduction de taille et qui doivent être surmontés avant toute application à des appareils tels qu'un smartphone fin, un casque de réalité augmentée léger ou un objet connecté intelligent. C'est au niveau de la pompe de refroidissement liquide miniature (le système de commande et de contrôle) que la plupart de ces problèmes sont résolus.

Le problème des microcanaux : les hautes performances engendrent une résistance élevée
L'échangeur de chaleur à microcanaux est utilisé dans les systèmes de refroidissement liquide miniatures afin d'optimiser la surface d'échange thermique au sein d'un échangeur de petite taille. Ces structures comportent des canaux dont la taille varie de quelques dizaines à plusieurs centaines de micromètres. À cette échelle, la surface d'échange thermique est très importante par rapport au volume de fluide caloporteur. C'est l'atout majeur pour une dissipation thermique efficace dans un espace réduit.
Le problème de la dynamique des fluides est crucial dans les microcanaux. Si le liquide s'écoule dans des ouvertures très étroites, la résistance due à la viscosité est importante. Ce type de résistance est appelé contre-pression. Plus les canaux sont petits, plus la contre-pression est élevée pour un débit donné.
La contre-pression générée par la plaque froide à microcanaux est suffisante pour bloquer complètement la petite pompe d'un système de refroidissement de smartphone ou le module thermique d'un casque de réalité virtuelle. La pression de fonctionnement d'une pompe conçue pour le refroidissement liquide dans un ordinateur de bureau ou un serveur est très différente. Dans ce contexte, une pompe plus petite ne fonctionnera tout simplement pas comme prévu.
Le circuit intégré de commande de la pompe miniature doit en tenir compte. Il doit maintenir un débit de pompe constant malgré d'importantes variations de contre-pression. Le circuit de commande doit détecter cette augmentation de pression et modifier ses paramètres pour assurer un débit constant si l'une des conditions suivantes est remplie : si la viscosité du liquide de refroidissement est affectée par la température ou si un passage est partiellement obstrué. Un circuit de commande incapable de gérer cette situation entraînera le blocage de la pompe en charge, empêchant ainsi la circulation du liquide de refroidissement et provoquant une augmentation rapide de la température de la puce. Dans le pire des cas, cela peut entraîner une coupure thermique ou des dommages permanents. Cela signifie que le circuit intégré de commande n'est pas un composant « encapsulé » dans un système de refroidissement liquide miniature. C'est l'élément qui contrôle le fonctionnement du système en conditions réelles d'utilisation.

Consommation d'énergie : Le système de refroidissement ne peut pas être l'ennemi de la batterie.
Tous les téléphones fonctionnent sur batterie ; les casques de réalité augmentée ont une autonomie limitée ; les objets connectés fonctionnent également sur batterie ; les ordinateurs portables fins et légers disposent d'une capacité énergétique extrêmement réduite. Chaque milliwatt compte. Un système de gestion thermique, qui consomme une quantité d'énergie non négligeable en continu, contribue au bon fonctionnement de la navette. Il génère de la chaleur supplémentaire pour l'évacuation de la chaleur et accélère la décharge de la batterie.
Un circuit intégré de commande de refroidissement liquide de petite taille apporte une solution à ce problème. Son objectif est de fournir exclusivement la puissance de pompe nécessaire au système à tout moment.
En faible charge, la dissipation thermique de la puce est faible. Le débit du liquide de refroidissement peut alors être réduit. La pompe fonctionne à un régime plus lent et le circuit de commande diminue rapidement le débit de sortie. Lors d'une augmentation soudaine de l'activité de calcul, le circuit intégré de commande augmente immédiatement la vitesse de la pompe pour gérer la charge thermique induite. Dès que la charge de travail diminue, il réduit la vitesse de la pompe en conséquence, assurant ainsi un refroidissement efficace tout en minimisant la consommation d'énergie.
En fonctionnement normal, la consommation électrique moyenne du système de refroidissement est maintenue à quelques milliwatts grâce à cette gestion dynamique de l'énergie. Le circuit intégré de commande y parvient grâce à des circuits de conversion de puissance à haut rendement et à des algorithmes qui ajustent dynamiquement le débit de la pompe en fonction des besoins thermiques en temps réel.
Pour les appareils portables alimentés par batterie, les montres connectées et les dispositifs dont la consommation énergétique totale est de quelques centaines de mW, cette efficacité est bien plus qu'un simple paramètre de performance. Elle rend en effet possible l'intégration du refroidissement liquide dans ces appareils.

Fonctionnement silencieux : le bruit est un problème de qualité du produit
La plupart des utilisateurs trouveront un ventilateur de refroidissement dans leur ordinateur portable. Un casque de réalité augmentée équipé d'un ventilateur de refroidissement sur les oreillettes n'est pas un véritable système de refroidissement. Le moindre bruit de pompe ou la moindre vibration du fluide contre la peau lorsqu'on porte une montre connectée seront immédiatement perceptibles. Cependant, pour les appareils personnels de nouvelle génération, le fonctionnement silencieux n'est plus considéré comme un critère haut de gamme, mais plutôt comme une fonctionnalité de base.
Des signaux carrés ou en échelon appliqués à des pompes miniatures génèrent des bruits électromagnétiques et des harmoniques de vibrations mécaniques. Aux fréquences de fonctionnement des pompes, ces harmoniques sont audibles et perceptibles. Système fonctionnant à chaud, mais sans bruit ni vibration pour le produit destiné au grand public.
Pour pallier ce problème, un circuit intégré de commande de haute qualité est disponible. Il fournit des signaux de commande sinusoïdaux ou une régulation de fréquence sinusoïdale. Ce circuit de commande n'entraîne pas de surtension du moteur de la pompe ; il est programmé pour générer des courants sinusoïdaux réguliers, assurant ainsi un mouvement continu et progressif du rotor. Il élimine les harmoniques de commutation, sources de bruit électromagnétique, comme c'est le cas avec un transformateur à découpage. Il réduit également les vibrations mécaniques transmises au châssis de l'appareil par le corps de la pompe, vibrations ou résonances structurelles ressenties ou audibles par les utilisateurs.
Cela garantit un fonctionnement régulier et silencieux sur toute la plage de fonctionnement de la pompe. Cette différence entre un entraînement à onde carrée et un entraînement sinusoïdal est particulièrement visible dans les casques de réalité augmentée et de réalité virtuelle, où l'appareil est placé directement près des oreilles de l'utilisateur. Il en va de même pour les dispositifs portables portés à même la peau, car leur fonctionnement sans vibrations est également essentiel.

BESTAR : Engagé à la pointe de la technologie du refroidissement liquide
MEILLEUR L'entreprise possède une vaste expérience dans le domaine des composants électroacoustiques de précision, de la technologie piézoélectrique et des systèmes microélectromécaniques, acquise au fil de nombreuses années. Ce savoir-faire en matière de contrôle des vibrations, de conversion d'énergie et de miniaturisation des actionneurs à l'échelle micrométrique est directement applicable au développement de systèmes de commande pour le refroidissement liquide miniature.
La vision de MEILLEUR Pour la prochaine génération de terminaux informatiques personnels (smartphones, réalité augmentée et virtuelle, objets connectés intelligents et ordinateurs portables fins et légers hautes performances), la technologie de refroidissement liquide sera considérée comme une fonctionnalité essentielle.
Les travaux de développement continus ont permis de réaliser des progrès concrets sur les principaux défis techniques dans ce domaine. MEILLEUR. Au niveau fondamental comme au niveau du contrôle intelligent, MEILLEUR a travaillé sur le matériel miniaturisé, ainsi que sur le micrologiciel permettant la mise en œuvre de systèmes de refroidissement liquide miniatures fiables dans des applications concrètes. L'application de ce savoir-faire aux composants eux-mêmes et à l'intelligence de contrôle permettra de MEILLEUR Proposer aux clients une solution complète et non des éléments de solution disparates.

Conclusion
En adoptant le Refroidissement liquide Avec une approche à l'échelle miniature, les appareils informatiques personnels haute performance s'orientent vers cette direction. Les contraintes de miniaturisation et de densité énergétique des puces limitent les options. La gestion thermique restera l'un des défis les plus complexes lors du développement de tout smartphone, casque de réalité augmentée ou virtuelle et objet connecté intelligent assurant une surveillance continue des paramètres de santé et, désormais, des capacités de calcul en périphérie.
MEILLEURNotre équipe d'ingénieurs est à votre disposition pour vous accompagner dans la résolution des problématiques thermiques liées aux nouveaux équipements informatiques personnels. Que vous développiez un casque de réalité augmentée/réalité virtuelle, un objet connecté, un ordinateur portable fin et léger haute performance ou un projet utilisant un smartphone et que vous envisagiez un refroidissement liquide miniaturisé pour la gestion thermique, n'hésitez pas à nous contacter.
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