葉發(fā)亮

(中國電子科技集團公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

基于VPX總線的機載設備的熱設計*

葉發(fā)亮

(中國電子科技集團公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

某機載處理機不僅耗散功率大，而且熱量集中，熱量集中于預處理模塊和信道化模塊。怎樣及時高效地將這兩種模塊的熱源熱量導出，傳遞到機箱導軌上并有效散熱是亟待解決的問題。文章詳細敘述了基于VPX總線的設備的散熱問題，從電路設計和結(jié)構(gòu)設計兩個方面進行熱分析，散熱問題最終得到解決。文中在VPX架構(gòu)下的高導熱率傳導散熱技術(shù)方面做了有益的探索，使得VPX加固模塊在惡劣環(huán)境下滿足國軍標GJB 150.3—86高溫工作試驗的要求。

熱設計；VPX總線；機載

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設備向著微小型化、高密度、高功率方向發(fā)展，導致電子設備的熱流密度劇增。要保證設備可靠工作，需要對電子設備進行良好的熱設計。熱設計的目的是控制電子設備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超過規(guī)定的最高允許溫度[1]。

VPX(VITA46)總線是基于高速串行總線的新一代總線標準，是對傳統(tǒng)VME總線的重大革新，支持數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)架構(gòu)，兼容Fiber Channel、PCI-Express、RapidIO、Hypertransport等高速串行總線協(xié)議，繼承了VME標準的機械結(jié)構(gòu)和導冷抗震方面的優(yōu)勢[2]。

1 某機載處理機結(jié)構(gòu)

某機載處理機是基于VPX總線的標準19英寸8U單機，所裝模塊是VPX總線結(jié)構(gòu)的加固模塊，符合VITA46標準，參考VITA48加固標準。單機共有16個槽位，槽間距0.85英寸，可插14個模塊，其中兩個模塊的寬度為8HP，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某機載處理機示意圖

單機包括3種功能模塊：預處理模塊，信道化模塊和綜合處理模塊。預處理模塊功耗約為80 W，信道化模塊功耗約為100 W，綜合處理模塊功耗約為60 W。此處理機單機耗散功率達到1 000 W，而且需要在55 ℃高溫環(huán)境下連續(xù)工作。此處理機不僅耗散功率大，而且熱量集中，熱量集中于預處理模塊和信道化模塊，熱設計的難點也在于此。怎樣及時高效地將這兩種模塊的熱源熱量導出，傳遞到機箱導軌上并有效散熱是亟待解決的問題。

2 問題分析和解決方法

國軍標GJB 6603中6.1.2款“模塊的功耗”規(guī)定：插件寬度為4HP的模塊單件功耗不宜超過40 W[3]；插件寬度為8HP的模塊單件功耗不宜超過70 W[3]。預處理模塊的寬度尺寸為21 mm，基本等同于4HP模塊；信道化模塊為8HP模塊。由此可見，上述兩種模塊的設計難度大大超過GJB 6603的要求，造成模塊功耗過于集中，不利于滿足電子元器件可靠性要求。

2.1 機箱和模塊散熱方式的選擇

要結(jié)合系統(tǒng)的環(huán)境條件和允許的散熱方式，按照國軍標GJB/Z 27—92(電子設備可靠性熱設計手冊)中的規(guī)定來選擇具體單機和模塊的散熱方式。

由于系統(tǒng)方案選擇強迫風冷散熱方式，綜合考慮后某機載處理機選擇強迫風冷散熱方式，模塊采用傳導散熱，用導熱率好的金屬鋁構(gòu)造一條低熱阻傳熱路徑。同時選用導熱系數(shù)較高、壓縮比較大、厚度較小的柔性導熱襯墊進一步減少傳熱路徑上的熱阻。從散熱的角度看，強迫風冷的優(yōu)點是設備簡單、成本低，利用金屬導熱是有效的傳熱方式，其熱路容易控制，與發(fā)熱元器件之間的熱阻低，冷卻方式簡單，可靠性高，維修性好，成本低。

2.2 模塊熱源分布和熱仿真分析

2.2.1 模塊熱源分布

預處理模塊的熱源分布如圖2所示。印制板正面4個FPGA功耗約為40 W， 4個DSP功耗約為12 W，2個網(wǎng)絡交換芯片功耗約為6 W，SRIO交換芯片功耗約為3 W，印制板反面有16個DDR顆粒功耗約為10 W，10個功率三極管功耗約為5 W。預處理板上其他元器件功耗約為4W。預處理板選用工業(yè)級FPGA，結(jié)溫為-40 ℃～100 ℃，結(jié)殼熱阻為0.16 ℃/W。

圖2 預處理模塊的熱源分布圖

信道化模塊的熱源分布如圖3所示。印制板有2個FPGA功耗約為50 W，2個網(wǎng)絡芯片功耗約為4 W，9個電源轉(zhuǎn)換芯片功耗約為18 W，10個DDR顆粒功耗約為7 W，6個功率三極管功耗約為6 W。小印制板上有3個AD模塊，單個功耗約為2～2.5 W。信道化模塊里裝3塊小印制板。信道化板選用商業(yè)級FPGA，結(jié)溫為0 ℃～85 ℃，結(jié)殼熱阻不詳。

圖3 信道化模塊的熱源分布圖

2.2.2 熱分析

模塊與散熱器的傳導散熱量:

Q=ΔT/R

(1)

式中：ΔT為模塊與散熱器底板間溫差，℃；R為模塊與散熱器底板間接觸熱阻，℃/W。

影響接觸熱阻的因素主要有表面粗糙度、平面度及接觸面之間的壓力等。對于粗糙度均為3.2 μm的二鋁質(zhì)表面，結(jié)合間隙中為空氣時，接觸熱阻按最惡劣的條件計算：

R1=δ1/λ

(2)

式中：R1為接觸熱阻；δ1為氣隙厚度；λ為空氣導熱系數(shù)。計算得R1=1.08×10-4℃·m2/W。

模塊與散熱器底板間接觸熱阻R=R1/S，S為接觸面積，m2。僅計算模塊的安裝面積，S=0.006 5×0.16×2=0.002 08 m2，R=1.08×10-4/S=0.05 ℃/W。由式(1)可知Q=ΔT/R=20ΔT，散熱量為80 W時，溫差為4 ℃。

在模塊內(nèi)部，F(xiàn)PGA與盒體之間也有接觸熱阻，在保證加工精度的前提下，在兩個接觸面之間填充硅脂或?qū)嵋r墊可以進一步減小熱阻。采用厚度為0.508 mm、導熱系數(shù)為3.5 W/(m·℃)的柔性導熱襯墊填充間隙，考慮一定的安全裕度，取導熱系數(shù)為2 W/(m·℃)，可以得到Q=ΔT/R=4.28ΔT，F(xiàn)PGA功耗為10W時，溫差為2.34 ℃。

預處理板選用工業(yè)級FPGA，許可結(jié)溫為100 ℃，結(jié)殼熱阻為0.16 ℃/W，因此當FPGA功耗為10 W時，溫差為1.6 ℃。

所以，預處理盒體表面最高溫度只要≤92.04 ℃就能滿足模塊的散熱要求。同理，信道化盒體表面最高溫度只要≤70.16 ℃就能滿足模塊的散熱要求。但是當環(huán)境溫度為55 ℃時，風冷機箱的界面溫度為65 ℃，盒體的溫升只有5.16 ℃，不用仿真就可以知道不能滿足散熱要求。因此信道化模塊應選用工業(yè)級FPGA，許可結(jié)溫為100 ℃，若結(jié)殼熱阻為0.16 ℃/W，盒體表面最高溫度只要≤85.16 ℃就能滿足模塊的散熱要求。

2.2.3 熱仿真計算

用Flotherm對模塊進行熱仿真，模塊與機箱導軌接觸的界面溫度為65 ℃，界面接觸熱阻的參考值為1.5×10-4℃·m2/W，環(huán)境溫度為55 ℃。按上述熱源分布建模，預處理模塊耗散功率按80 W計，信道化模塊耗散功率按100 W計，仿真計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 預處理模塊仿真云圖

圖5 信道化模塊仿真云圖

仿真結(jié)果表明，預處理模塊盒體表面的最高溫度為84.1 ℃，可以滿足散熱要求；信道化盒體表面的最高溫度為92.9 ℃，不能滿足散熱要求。

2.3 常溫摸底試驗及試驗數(shù)據(jù)分析

單機狀態(tài)：單機裝在機柜上，里面裝有4個預處理模塊(安裝在一起)、一個信道化模塊、一個綜合處理模塊，這3種模塊安裝在機箱中部的槽位上，6個模塊安裝在一起，具體見圖1。

測溫儀器為安捷倫34970A。熱電偶2#～8#具體布置位置見圖1，2#布置在機箱導軌側(cè)面上(預處理模塊附近)，3#布置在信道化模塊盒體FPGA正上方，4#布置在信道化模塊盒體FPGA正上方，5#布置在預處理模塊盒體上(中間位置)，6#布置在信道化模塊盒體內(nèi)側(cè)板上，8#布置在預處理模塊前面板上(靠近機箱導軌)，9#布置在安捷倫34970A旁邊(測環(huán)境溫度)。

15：40開始測試，17：05結(jié)束，試驗時間1小時25分鐘，設備運行正常。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 常溫(20.5 ℃)測試數(shù)據(jù) ℃

測試通道15：4415：5015：5816：0916：1916：3716：5017：052#26．027．028．329．229．429．429．629．53#47．050．753．254．955．355．455．655．64#49．954．056．958．659．059．159．359．35#32．834．736．338．939．639．840．040．06#30．432．334．035．235．435．435．735．68#28．529．931．032．833．133．133．233．39#20．320．320．320．420．420．520．520．5

由表1可見，單機到16：50基本達到熱平衡。此時，2#29.6 ℃，8#33.2 ℃，溫差3.6 ℃。理論分析預處理模塊與機箱導軌之間的溫差為4 ℃，與試驗數(shù)據(jù)吻合。當環(huán)境溫度為55 ℃時，導軌溫度約為64.1 ℃，與風冷機箱界面溫度65 ℃吻合；8#約為67.7 ℃，由圖4可得預處理模塊前面板上部(靠近導軌)的溫度約為66 ℃，兩者數(shù)據(jù)吻合較好。

本次試驗主要針對信道化模塊，因此在信道化模塊中放置了3#、4#和6# 3個傳感器。從數(shù)據(jù)看，熱平衡后4#最高溫度為59.3 ℃，根據(jù)之前實測的數(shù)據(jù)(當4#測得58.9 ℃時對應的FPGA結(jié)溫為77.5 ℃)可以計算出FPGA的結(jié)溫為77.9 ℃。3#和6#的溫差較大，相差20 ℃，表明信道化模塊盒體內(nèi)的溫度梯度很大，還有改善的空間。

2.4 設計改進

通過上述分析，模塊依然采用傳導散熱，用導熱率好的金屬鋁構(gòu)造一條低熱阻傳熱路徑。信道化模塊重新進行印制板設計和結(jié)構(gòu)散熱設計，F(xiàn)PGA選擇工業(yè)級芯片。同時增加FPGA上方導熱板的厚度，由3.5 mm增加到12 mm，AD模塊下方的導熱板厚度由3.5 mm增加到5.9 mm。選用一種導熱系數(shù)為14 W/(m·℃)，壓縮比為40%，厚度為1.5 mm的柔性導熱襯墊進一步減小傳熱路徑上的熱阻。提高模塊與機箱導軌接觸部分加工精度，減少接觸熱阻。重新建模仿真，其他條件不變。當環(huán)境溫度為55 ℃時，仿真結(jié)果見圖6。

圖6 信道化模塊仿真云圖

如圖6所示，盒體表面最高溫度為82.3 ℃，與FPGA接觸表面的最高溫度為77.3 ℃。采用導熱系數(shù)為14 W/(m·℃)，壓縮比為40%，厚度為1.5 mm的柔性導熱襯墊填充間隙，考慮一定的安全裕度，取導熱系數(shù)為10 W/(m·℃)，可以得到Q=ΔT/R=12.03ΔT，F(xiàn)PGA功耗為25 W時，溫差為2.08 ℃。

信道化板選用工業(yè)級FPGA，結(jié)溫為100 ℃，結(jié)殼熱阻為0.16 ℃/W，因此當FPGA功耗為25 W時，溫差為4 ℃。FPGA結(jié)溫為88.38 ℃，低于100 ℃的許可最高結(jié)溫。

3 試驗驗證

按照國軍標GJB 150.3—86《軍用設備環(huán)境試驗 高溫試驗》的要求進行了高溫工作試驗。單機狀態(tài)與常溫摸底試驗相同。單機放在高溫試驗箱中，環(huán)境溫度為55 ℃。

測溫儀器為安捷倫34970A。熱電偶布置情況：1#布置在4號預處理模塊導熱塊上，2#布置在8號預處理模塊導熱塊上，3#布置在8號預處理模塊盒體內(nèi)側(cè)中部(靠近導熱塊)，4#布置在1號預處理模塊導熱塊上，5#布置在綜合處理模塊盒體外側(cè)(中間位置)，7#布置在1號預處理模塊盒體內(nèi)側(cè)中部(靠近導熱塊)，8#布置在信道化模塊盒體FPGA正上方，9#布置在4號預處理模塊盒體內(nèi)側(cè)中部(靠近導熱塊)。

按國軍標要求進行高溫工作試驗，設備運行正常。測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 高溫測試數(shù)據(jù) ℃

測試通道15：1915：2415：3015：3615：4015：4615：5015：5616：1116：201#44．952．158．762．964．466．066．767．267．567．72#46．453．560．563．166．768．569．269．870．170．43#46．653．760．665．266．768．569．369．970．170．54#46．654．261．566．368．069．970．671．271．571．85#41．748．353．456．457．458．458．859．259．359．57#47．354．762．166．868．670．471．171．872．072．38#53．761．369．274．676．478．479．380．080．480．69#46．353．059．463．565．066．567．167．668．068．24號預處理板的FPGA結(jié)溫156．564．572．076．580．081．082．082．583．083．0258．566．574．580．081．583．584．585．085．085．0356．564．572．076．378．580．581．582．082．583．0454．563．571．075．576．578．579．079．579．580．0

由表2可見，單機從15：15開始運行，到15：56基本達到熱平衡，其中預處理模塊到15：50已經(jīng)達到熱平衡。此時，預處理板上的FPGA最高結(jié)溫為85 ℃，小于許可最高結(jié)溫100 ℃，表明預處理模塊滿足國軍標高溫工作試驗要求。信道化模塊盒體FPGA正上方的最高溫度為80.6 ℃，此時FPGA的結(jié)溫近似為86.68℃，小于許可最高結(jié)溫100 ℃，表明信道化模塊滿足國軍標高溫工作試驗要求。

4 結(jié)束語

VPX總線作為新一代的總線標準，改進了電源供電，5 V最高可達115 W，12 V最高可達384 W，48 V最高可達768 W[4]。電子設備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多，這部分多出的功率以熱能形式耗散[1]。隨著功耗的增加，熱設計的代價也大大增加。本文在VPX架構(gòu)下的高導熱率傳導散熱技術(shù)方面做了有益的探索，使得VPX加固模塊在惡劣環(huán)境下滿足國軍標GJB 150.3—86高溫工作試驗的要求。

[1] 國防科學技術(shù)委員會. GJB/Z 27—92 電子設備可靠性熱設計手冊[S]. 1992.

[2] 翟彥彬, 蔣志焱, 張保寧. 大規(guī)模RapidIO協(xié)議交換的FPGA實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代雷達, 2011, 33(12): 33-35.

[3] 中國人民解放軍總裝備部. GJB 6603—2008 電子對抗裝備模塊總線通用技術(shù)要求[S]. 2008.

[4] Mercury Computer Systems, Inc. VITA46.0 VPX Base Sta- ndard[S]. 2007.

葉發(fā)亮(1977-)，男，高級工程師，主要從事電子設備結(jié)構(gòu)設計工作。

Thermal Design for Airborne Equipment Based on VPX Bus

YE Fa-liang

(The36thResearchInstituteofCETC，Jiaxing314033,China)

The heat dissipation power of an airborne processor is large, and the heat is concentrated on preprocessing module and channelizing module. How to transfer the heat of the two modules to the chassis rails in time and dissipate efficiently is a problem urgent to be solved. In this paper, the heat dissipation of the equipment based on VPX bus is expatiated. Thermal design is carried out from the aspects of circuitry design and structure design. At last, the heat dissipation problem is solved. The heat conduction technology with high thermal conductivity under VPX architecture are researched valuably in this paper, making the VPX strengthened module in harsh environment to meet the requirements of GJB 150.3—86 high temperature operation test.

thermal design; VPX bus; airborne

2013-07-04

TK124

A

1008-5300(2013)05-0004-04