Umfassendes Sortiment an Kühllösungen für Leistungselektronik von CTX

Umfassendes Sortiment an Kühllösungen für Leistungselektronik in den unterschiedlichsten Anwendungen. (Bild: CTX)

| von Wilfried Schmitz

Eckdaten

Das Unternehmen Toradex bietet System-on-Modules (SoM) beziehungsweise Computer-on-Modules (CoM) an, die aus anwendungsunabhängiger Hard- und Software bestehen. Seit vielen Jahren setzen die Schweizer Kühllösungen von CTX ein.

Ob in Automobilen, in der Medizintechnik oder in automatisierten Industrieanlagen – Embedded-Systeme, also integrierte Rechner, sorgen für die sichere Funktionsfähigkeit. Dazu müssen diese Systeme dauerhaft zuverlässig arbeiten und gegen die jeweiligen Umgebungseffekte wie Vibrationen, hohe Temperaturen etc. geschützt sein. Dies gilt insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt.

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Apalis-Modul mit aufgeschraubtem CPU-Kühlkörper. Toradex

Anders als bei „normalen“ PCs, bei denen der neueste, superschnelle Prozessor kaufentscheidend ist, geht es bei Embedded-Systemen um minimale Kosten, möglichst wenig Platz-, Energie- und Speicherverbrauch und um die Funktionsfähigkeit in Echtzeit. Wichtig ist ein langer, fehlerfreier, gegebenenfalls auch 24/7-Einsatz, egal wie rau die Umgebung ist, denn selbst geringste Unregelmäßigkeiten könnten etwa die Fertigung eines Unternehmens lahmlegen. Bewegliche Teile sind aus Verschleißgründen zu vermeiden, daher werden zum Beispiel stromsparende Prozessoren, ROM- oder Flashspeicher bevorzugt, die ohne Lüfter auskommen.

Basismodule für kürzere Entwicklungszeiten

Die eingebetteten Architekturen sind sehr aufwendig zu entwickeln. Daher bietet Toradex System-on-Modules (SoM) beziehungsweise Computer-on-Modules (CoM) an – kleine, einsatzbereite Computing-Lösungen, die aus anwendungsunabhängiger Hard- und Software bestehen. Bei einem CoM oder auch SoM werden die Kernkomponenten eines Embedded-Computers auf einem kleinen Modul platziert, inklusive SoC, RAM, Flash, Power-Management, Ethernet, etc. Dieses Basismodul erweitert der Kunde dann zu seinem gewünschten Trägerboard mit dem IO und den benötigten Peripheriegeräten.

Das 2003 gegründete Schweizer Unternehmen entwickelt mit 135 Mitarbeitern in acht Büros weltweit SoM- und CoM-Lösungen für kleine bis mittelgroße Projekte. Die Module von Toradex kommen in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Sie verfügen über zahlreiche Verbindungs- und Multimediafähigkeiten und einen Industrial-Temperatur-Support, der die einwandfreie Funktion bei Temperaturen von -40 bis +85 °C garantiert. Auch unter erschwerten Bedingungen (Schläge, Vibrationen) arbeiten sie zuverlässig. Einsatzgebiete der robusten Module sind unter anderem industrielle Automation und Robotik, Edge Computing, Transportfahrzeuge, Medizintechnik sowie Test- und Messinstrumente.

Die Anwender profitieren vom Toradex-Konzept durch reduzierte Komplexität sowie kurze Produkteinführungszeiten und sparen Entwicklungskosten. Ein weiterer Vorteil ist, dass solch ein Modul über mehrere CPU-Generationen verwendet werden kann. Zudem lässt sich die Rechenleistung des eingebetteten Systems bedarfsgerecht skalieren. Die Basismodule von Toradex sind vielfach getestet und erprobt. Zum Beispiel werden die Vibrations- und Schocktests von der Prüfstelle von Quinel durchgeführt, einem unabhängigen und international akkreditierten Prüflaborunternehmen.

Colibri und Apalis: Herz vieler Embedded-Lösungen

Die beiden Produktfamilien Colibri und Apalis sind die modular aufgebauten CoM-Lösungen aus dem Embedded-Programm von Toradex. Speziell die Apalis-Architektur steht für Langlebigkeit, Erweiterbarkeit, Benutzerfreundlichkeit, Kompatibilität und Einfachheit, insbesondere beim Energiemanagement. Die Gesamtheit an Möglichkeiten macht diesen Standard für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten nutzbar. Das Modulkonzept gestattet den Kunden die Wiederverwendung von Designs und die Integration in viele Embedded-Computeranwendungen. So erlauben die pinkompatiblen Colibri- und Apalis-Module eine schnelle, kosteneffiziente Produkteinführung und bieten dem Kunden die notwendige Flexibilität beim Produktdesign.

Colibri-Module kommen ohne zusätzlichen Wärmespreizer oder Kühlkörper aus, da sie überwiegend über einen thermischen Drosselmechanismus verfügen: Das Modul misst die aktuelle Temperatur des SoC. Übersteigt diese einen kritischen Wert, drosselt es die CPU-Geschwindigkeit oder schaltet das System komplett aus, um Schäden zu vermeiden. Die Apalis-Module dagegen benötigen in vielen Anwendungsfällen einen Kühlkörper um die entstehende Verlustleistung von maximal 15 W abzuführen und dauerhaft zuverlässig zu funktionieren. Für die Kühllösungen gelten nahezu die gleichen Anforderungen wie für die Embedded-Systeme selbst: Sie müssen kompakt, leistungsstark und möglichst mobil sein.

Thema der nächsten Seite: CPU-Kühlkörper für Embedded-Lösungen

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Kühllösungen für alle Arten von Embedded-Systemen. CTX

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CPU-Kühlkörper aus schwarzeloxiertem Stranggussaluminium mit vier Gewindebohrungen zur Befestigung auf dem Apalis-Modul (außen) und vier innenliegenden Bohrungen für die Befestigung eines Lüfters. CTX

Toradex bezieht die Kühllösungen für seine Module seit vielen Jahren bei CTX Thermal Solutions aus Nettetal. Das Handelshaus für kundenspezifische und standardisierte Kühllösungen verfügt über ein umfassendes Produktportfolio, zu dem auch CNC-gefertigte aktive und passive Embedded-Kühllösungen gehören: einfache Rippenkühlkörper, Wärmespreizer (Heatspreader) mit integrierten Wärmerohren (Heatpipes), Kühlkörper mit Kupfer-Inlay und kühlende Gehäuse. Das Design der eingebetteten Kühlkörper kann dabei dem jeweiligen System individuell angepasst werden. Welcher Kühlkörper für die kundenspezifische Anwendung am besten geeignet ist, hängt von der abzuführenden Verlustleistung und dem zur Verfügung stehenden Bauraum ab.

Die Kühlkörper werden in der Regel direkt am Hotspot montiert, also dort, wo die Wärmeentwicklung am größten ist. Starke Hitze, welche die Leistungsfähigkeit des Systems reduziert, kann auf diese Weise gar nicht erst entstehen. Auch für die Embedded-Systeme von Toradex hat CTX die passende Kühllösung parat und lieferte im vergangenen Jahr viele CPU-Kühlkörper an das Unternehmen.

CPU- oder Prozessorkühlkörper bestehen meist aus Aluminium oder Kupfer. Eine Kombination beider Metalle in Form von Hybrid-Kühlkörpern ist ebenfalls möglich. Dabei vereinen Hybridkühlkörper die Vorteile beider Metalle: die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und das geringe Gewicht von Aluminium. Angeboten werden Kühler-Lüfter-Kombinationen ebenso wie rein passive Kühlkörper, Flüssigkeitskühlkörper oder Wärmerohre. Immer gilt jedoch, dass CPU-Kühlkörper mechanisch und hinsichtlich ihrer Leistung sehr präzise zum jeweiligen Prozessor- beziehungsweise Sockeltyp passen, gleichzeitig sehr leicht und klein sind und durch eine entsprechend hochgenaue Fertigung einen guten Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühlkörper gewährleisten.

Toradex setzt in seinen Apalis-Modulen passive CPU-Kühlkörper aus einer Aluminiumstranggusslegierung mit schwarz eloxierter Oberfläche und einer Kühlleistung von 5,5 W/mK ein, die mit vier Schrauben der Größe M3 auf der Trägerplatine befestigt werden. Das Kühlkörperdesign war dabei eine besondere Herausforderung, denn der zur Verfügung stehende Bauraum ist sehr begrenzt und die Verschraubung erfordert bei den äußerst geringen Kühlkörperabmessungen ein gewisses Fertigungs-Know-how. So messen die Kühlkörper 82 mm × 59 mm bei modulabhängigen Stärken von 0,85; 1,15; 1,3 beziehungsweise 1,4 mm. Zusätzlich zu den Bohrungen für die Befestigungsschrauben sind die Kühlkörper mit Gewindebohrungen ausgestattet, über die bei Bedarf ein Lüfter montiert werden kann.

Thermische Simulation

Im Fall von Toradex basiert der Kühlkörperentwurf auf langjähriger Erfahrung. Gilt es jedoch für ein neues Produkt eine Kühllösung zu entwickeln, hilft die thermische Simulation dabei, das optimale Kühlkörperdesign zu finden. Mit dem analytischen Prozess der thermischen Simulation lässt sich der Temperaturzustand eines elektrischen Bauteils anhand definierter thermodynamischer und geometrischer Randbedingungen berechnen. Gleichzeitig können mögliche thermische Probleme frühzeitig erkannt werden. So lassen sich das Design und die Kühlleistung optimieren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht einsparen. Stellt sich dabei heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies Material- und Fertigungskosten in erheblichem Maß.

Wilfried Schmitz

Geschäftsführender Gesellschafter, CTX Thermal Solutions, Nettetal

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