VPX架構(gòu)下高熱流密度電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)*

陳焱飆，李澄宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川成都610041）

引 言

VPX標(biāo)準(zhǔn)是VME國際貿(mào)易協(xié)會(huì)（VME International Trade Association,VITA）組織提出的新一代高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)具有最高10 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并能支持多處理器計(jì)算機(jī)架構(gòu)，可以解決數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及接口標(biāo)準(zhǔn)化的難題。VITA48.1，VITA48.2，VITA48.3分別定義了風(fēng)冷、導(dǎo)冷以及液冷3種加固型VPX模塊結(jié)構(gòu)。其中VITA48.2定義的導(dǎo)冷模塊配有專用助拔器，通過兩側(cè)楔形鎖緊條與導(dǎo)軌架固定，該種結(jié)構(gòu)形式具有良好的抗沖擊、振動(dòng)性能，在航空航天以及軍用電子設(shè)備中使用最為廣泛[1]。

VPX模塊通常采用縱向布置以提高空間利用率，常規(guī)19英寸機(jī)箱可布置16個(gè)VPX模塊。按VITA65標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的常規(guī)6U模塊最大允許熱功耗150 W估計(jì)，整機(jī)熱功耗可高達(dá)2 400 W。但VPX標(biāo)準(zhǔn)并未對宿主設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)討論，國內(nèi)學(xué)者也未對整機(jī)散熱提出系統(tǒng)的解決方案，如何解決高熱流密度機(jī)箱的散熱問題，是現(xiàn)有VPX架構(gòu)設(shè)計(jì)所面臨的重要問題。本文對某型信號處理設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，并使用6sigma軟件對其進(jìn)行熱仿真分析，優(yōu)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備散熱效果。

1 模塊散熱熱阻分析

針對VITA48.2標(biāo)準(zhǔn)的模塊結(jié)構(gòu)，整機(jī)風(fēng)道形式主要分為貫穿風(fēng)冷和傳導(dǎo)風(fēng)冷。該種模塊兩側(cè)鎖緊條占用大量通風(fēng)面積，在保證標(biāo)準(zhǔn)VPX槽位間距及模塊厚度的前提下，貫穿風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)阻大，對系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)選型要求更高。本文主要考慮傳導(dǎo)風(fēng)冷，VPX模塊通過傳導(dǎo)將熱量傳到導(dǎo)軌架，再由強(qiáng)迫風(fēng)冷將熱量帶走。

設(shè)計(jì)模塊方案時(shí)通常將高熱流密度芯片焊接在印制板上，芯片表面通過導(dǎo)熱襯墊與模塊腔體緊貼，將熱量傳導(dǎo)至模塊腔體上。模塊兩側(cè)肋條上安裝有便于模塊維護(hù)的楔形鎖緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)模塊插入機(jī)架冷板插槽后利用楔形鎖緊機(jī)構(gòu)對模塊進(jìn)行鎖緊，通過緊貼的肋條和楔形鎖緊機(jī)構(gòu)與機(jī)架冷板實(shí)現(xiàn)熱交換。熱傳導(dǎo)路徑如圖1所示，熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。圖中：Rct,0為導(dǎo)熱墊接觸熱阻；Rm為模塊傳導(dǎo)熱阻；Rwg為鎖緊條熱阻；Rch為機(jī)架傳導(dǎo)熱阻；Rcv為空氣對流熱阻；Rjc為結(jié)殼熱阻；Tj為結(jié)溫；Tf為環(huán)境溫度。

圖1 VPX模塊散熱路徑

圖2 VPX模塊冷卻熱阻網(wǎng)絡(luò)

熱阻是熱量轉(zhuǎn)移過程的阻力，其定義如下[2]：

式中：?T表示兩節(jié)點(diǎn)間的溫差；Q表示節(jié)點(diǎn)間傳遞的熱流功率；熱阻R表示兩節(jié)點(diǎn)在傳遞單位熱流功率時(shí)的溫差，反應(yīng)介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力。對于傳導(dǎo)熱阻，可按下式計(jì)算：

式中：L為傳熱的距離；K為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；A為傳熱的截面積。由于通常情況下相互接觸的表面既不平整也不光滑，因此微觀上兩個(gè)面之間的接觸是由空氣間隙隔開的許多點(diǎn)對點(diǎn)的接觸。由于空氣的熱傳導(dǎo)率只有0.026 W/（m·?C），相比常用散熱器材料鋁的傳導(dǎo)率200 W/（m·?C）要低得多，所以相互接觸的界面之間會(huì)形成接觸熱阻。接觸熱阻計(jì)算的理論模型復(fù)雜，影響因素較多，工程上一般通過試驗(yàn)測量的方法得到。根據(jù)文獻(xiàn)[3–4]可以得到導(dǎo)熱墊的接觸熱阻Rct,0=0.04?C/W以及單個(gè)楔形鎖緊條鎖緊處總熱阻Rwg≈0.33?C/W。

模塊散熱殼體的材料通常采用6063鋁板，其導(dǎo)熱系數(shù)K=200 W/（m·?C），傳熱截面積A=0.16×0.01=0.001 6 m2，模塊的平均傳導(dǎo)熱阻：

式中，n為殼體上離散點(diǎn)的總數(shù)。

表1 系統(tǒng)熱阻、溫升分布

由熱阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，在高熱流密度下，每一點(diǎn)熱阻都會(huì)產(chǎn)生較高的溫升，最終導(dǎo)致元器件高溫失效，所以必須對散熱路徑上的熱阻進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)選定芯片后，芯片結(jié)殼熱阻就已確定，無法改變。導(dǎo)熱襯墊和鎖緊條的接觸熱阻主要與壓緊力和材料表面粗糙度有關(guān)，在VITA48.2的模塊中，通過選擇合適的熱界面材料和控制壓緊力來盡可能地減少接觸熱阻。模塊傳導(dǎo)熱阻和機(jī)架空氣對流熱阻在整個(gè)熱阻網(wǎng)絡(luò)中占比最大，盡可能對其進(jìn)行控制是整機(jī)熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 基于VITA48.2標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)熱設(shè)計(jì)

根據(jù)熱平衡方程，整機(jī)所需的通風(fēng)量：

式中：ρ為空氣密度，60?C時(shí)，ρ=1.06 kg/m3；Cp為空氣的比熱，Cp=1 005 J/（kg·?C）；Q為總損耗功率，Q=1 000 W；?t為冷卻空氣出口與進(jìn)口的溫差，這里初定?t=10?C。

經(jīng)計(jì)算，Qf=5.63 m3/min，考慮系統(tǒng)風(fēng)壓阻力并留取一定安全裕量，選取3個(gè)Bi-Sonic的BP1202512H風(fēng)機(jī)預(yù)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，單個(gè)風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為3.398 m3/min。

由于氣流在轉(zhuǎn)角和通道尺寸變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，理想情況下的通風(fēng)面積應(yīng)該與風(fēng)機(jī)尺寸相同，并且轉(zhuǎn)角處通過光滑圓弧過度。試驗(yàn)表明，通風(fēng)面積降低到理想通風(fēng)面積的60%前，流量不會(huì)產(chǎn)生明顯變化。預(yù)估整機(jī)通風(fēng)面積S=0.6×120×120×3=25 920 mm2。所以對于該種結(jié)構(gòu)形式，采用前進(jìn)后出的風(fēng)道，標(biāo)準(zhǔn)7U（1U=44.45 mm）機(jī)箱能夠滿足其散熱需求。

3 熱仿真分析及優(yōu)化

3.1 熱仿真分析

對某型處理設(shè)備進(jìn)行熱仿真分析，模塊的熱分布見圖3，單板熱功耗總計(jì)91.7 W。

圖3 模塊熱功耗分布

通過6sigma軟件進(jìn)行熱仿真計(jì)算，環(huán)境溫度設(shè)為45?C，得到溫度云圖如圖4所示。可以看到，該條件下模塊到導(dǎo)軌間溫升較高，芯片最高溫度為95.1?C，高于主流工業(yè)檔電子器件允許工作最高溫度85?C，不利于硬件設(shè)計(jì)與選型，需要優(yōu)化散熱。

圖4 熱仿真溫度云圖

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由仿真結(jié)果可知，模塊傳導(dǎo)熱阻較大是機(jī)箱散熱的瓶頸之一。傳統(tǒng)均溫組件一般選用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料（如紫銅），而均溫板作為一種高效氣–液相變傳熱器件已經(jīng)越來越多地作為均溫組件應(yīng)用于電子設(shè)備散熱中[5–6]。均溫板實(shí)際上是一種具有蒸發(fā)面和冷凝面的平板熱管，熱源作用于蒸發(fā)面，熱量通過工作介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、回流過程擴(kuò)散到整個(gè)熱管腔內(nèi)，并且溫度在熱管壁面分布均勻。均溫板的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)800 W/（m·K），將模塊散熱殼體由常規(guī)鋁板改為均溫板，可以大大提高其傳熱效率。均溫板結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 均溫板結(jié)構(gòu)

將模塊殼體更換為均溫板后重新進(jìn)行熱仿真分析（圖6），芯片最高溫度為82.1?C，散熱效果提升明顯。

圖6 均溫板散熱殼體熱仿真溫度云圖

對于該種結(jié)構(gòu)形式，散熱導(dǎo)軌的長、寬、齒高、基板厚度等基本尺寸已由板卡尺寸和機(jī)箱尺寸決定，能夠優(yōu)化的主要參數(shù)為散熱齒齒厚和齒間距。以齒厚和齒間距為自變量，芯片最高溫度為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如表2所示?？梢钥吹?，由于整機(jī)采用前后通風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)道通暢，齒間距在2 mm以上時(shí)，縮小齒厚和齒間距并不會(huì)對系統(tǒng)風(fēng)阻產(chǎn)生顯著影響，卻可以增加強(qiáng)迫風(fēng)冷的換熱面積，有效提高換熱效率。系統(tǒng)流場和壓力場如圖7、圖8所示，風(fēng)速均為5 m/s左右。

表2 散熱齒參數(shù)與芯片最高溫度及系統(tǒng)風(fēng)壓關(guān)系表

圖7 齒厚2.5 mm齒間距7.5 mm時(shí)機(jī)箱流場和壓力場

圖8 齒厚1 mm齒間距2 mm時(shí)機(jī)箱流場和壓力場

4 結(jié)束語

傳導(dǎo)風(fēng)冷相比貫穿風(fēng)冷風(fēng)道形式更加簡單，空間利用率更高，通常對于標(biāo)準(zhǔn)6U板卡，機(jī)箱高度為7U。但對于高熱流密度模塊，常規(guī)鋁板傳導(dǎo)熱阻較大，無法將熱量及時(shí)傳出，需要使用均溫板或者熱管等方式提高傳導(dǎo)效率。文中風(fēng)道形式風(fēng)壓阻力較小，在保證齒間距2 mm的基礎(chǔ)上，縮小齒厚和齒間距可以有效提高風(fēng)冷換熱效率。由于均溫板是一種氣–液相變傳熱組件，其工作原理和瞬態(tài)工況較為復(fù)雜，用其穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行仿真可能存在一定偏差，其瞬態(tài)過程有待進(jìn)一步分析、驗(yàn)證。