徐計元，江 波，孫 帆，肖克齊，李東來

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某新型ATCA插箱熱學(xué)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計

徐計元，江 波，孫 帆，肖克齊，李東來

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

采用ATCA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的新一代電子設(shè)備集成密度和功率密度更高，由此帶來的散熱要求也相應(yīng)增加。文中以某新型ATCA插箱(單板功率高達300 W)為例，利用FLOTHERM軟件分別進行了模塊級與插箱級熱學(xué)仿真分析。文中研究了ATCA刀片式板卡的冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對芯片散熱性能的影響，在此基礎(chǔ)上進一步研究了風(fēng)道設(shè)計及風(fēng)機選型對ATCA插箱散熱性能的影響，并根據(jù)熱學(xué)仿真分析結(jié)果為ATCA刀片式板卡及其插箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了優(yōu)化建議。文中所介紹的熱學(xué)仿真分析思路及優(yōu)化方法可為新型電子設(shè)備風(fēng)冷插箱的散熱設(shè)計提供參考。

ATCA；FLOTHERM；熱學(xué)仿真；插箱

引 言

ATCA(Advanced Telecommunications Computing Architecture)是國際工業(yè)計算機協(xié)會定義的一種全開放、可互操作的電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可為下一代通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供一個高性價比、基于模塊化結(jié)構(gòu)、可兼容、可擴展的硬件架構(gòu)[1]。采用ATCA技術(shù)的新一代電子設(shè)備集成密度增加，功率密度更高，由此所帶來的散熱問題成為影響整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。

大部分軍用或民用電子設(shè)備研制成本高，制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，因此很難在預(yù)先獲得試驗件的基礎(chǔ)上進行熱設(shè)計改進工作。相比之下，在產(chǎn)品研發(fā)初期通過可靠的仿真軟件進行熱分析并提出熱設(shè)計方案，可為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考信息，從而最大限度地降低產(chǎn)品的研制成本，保障新研產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及諸多研究領(lǐng)域需求的增加，各種仿真分析軟件應(yīng)運而生。FLOTHERM作為第1款針對電子散熱的商業(yè)化CFD軟件，已普遍應(yīng)用于電子設(shè)備散熱領(lǐng)域[3-5]。

本文以在研的某新型ATCA刀片式服務(wù)器(插箱)為例，根據(jù)ATCA標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的硬件規(guī)格并結(jié)合該產(chǎn)品在實際工作條件下需滿足的環(huán)境要求，利用FLOTHERM軟件進行了熱學(xué)仿真分析。

1 建模與輸入

ATCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前板卡尺寸規(guī)格為280mm×322 mm，單板最大功率高達200～300 W。根據(jù)電訊提出的方案要求，該ATCA插箱需留14個板卡安裝空間，單板總功率最高可達300 W。在實際應(yīng)用過程中，該ATCA插箱的工作環(huán)境溫度最高可達55 ℃，熱設(shè)計要求芯片殼溫不高于85 ℃。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和文獻[6]，該ATCA插箱可采用強迫風(fēng)冷方式進行散熱，其傳熱路徑如圖1所示。元器件產(chǎn)生的熱量首先經(jīng)過熱傳導(dǎo)方式傳遞至散熱翅片，最后以對流傳熱方式將熱量釋放至熱沉。

圖1 ATCA風(fēng)冷插箱傳熱路徑示意圖

1.1 模塊級分析建模

本文首先對ATCA刀片式板卡進行簡化風(fēng)洞仿真，擬獲取單板翅片的最佳設(shè)計參數(shù)。板卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計效果如圖2(a)所示，利用FLOTHERM軟件建立的單板風(fēng)洞分析模型如圖2(b)所示。

圖2 ATCA板卡分析模型與簡化

1.2 插箱級分析建模

ATCA插箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計效果如圖3(a)所示。ATCA插箱總高度為13U(1U = 44.45 mm)，板卡高度占8U，板卡下方留2U的進風(fēng)空間，上方留3U的風(fēng)機空間。內(nèi)部的無引線背板位于前插件后方且該插箱無后插件。圖3(b)為利用FLOTHERM軟件建立的插箱熱仿真分析模型。

圖3 ATCA插箱分析模型

1.3 輸入條件

仿真建模的主要單元包括風(fēng)洞模型、PCB印制板、發(fā)熱元件、導(dǎo)熱襯墊、散熱凸臺和散熱翅片。各單元的建模方式及參數(shù)設(shè)置如下：

1)采用Fixed Flow單元(55℃空氣，體積流量80 m3/h)建立風(fēng)冷源模型，ATCA板卡所處的風(fēng)洞外形尺寸為30.48 mm × 370 mm × 290 mm；

2)采用PCB智能單元(各向異性，材料取為FR4+銅)建立印制板模型，尺寸為280 mm × 322 mm；

3)采用具有材料特性(導(dǎo)熱系數(shù)為10 W/(m·K))和熱量均勻分布的塊單元建立發(fā)熱器件模型(詳細布局參見圖2(b))，其中CHIP 1、 CHIP2均為70 W，CHIP 3、CHIP4、CHIP5、CHIP6均為15 W，其余器件均為25 W；

4)采用肋片型鋁材翅片單元建立散熱翅片模型(基板厚度，內(nèi)翅高度、數(shù)量及厚度為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù))；

5)已知圖1中導(dǎo)熱襯墊的導(dǎo)熱系數(shù)λ為20 W/(m·K)，受壓狀態(tài)下厚度δ為0.3 mm。導(dǎo)熱襯墊建?？刹捎迷诎l(fā)熱元件表面定義表面熱阻(Rsurf-solid)的方式：

Rsufr-solid=δ/λ=1.5×10-5(K·m2/W)

(1)

2 熱仿真分析及結(jié)果

2.1 模塊級分析與優(yōu)化

選取如下輸入變量作為優(yōu)化目標(biāo)，并根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸要求設(shè)置輸入變量的可變范圍：1)基板厚度Hb為1 ～ 3 mm；2)內(nèi)翅片高度Hint為12 ～ 16 mm；3)內(nèi)翅片數(shù)量為35 ～ 65個；4)內(nèi)翅片厚度Wint為1 ～ 3 mm；5)變量約束條件為Hb +Hint≤17 mm。

優(yōu)化前的翅片參數(shù)為：基板厚2 mm，內(nèi)翅片高14 mm，內(nèi)翅片數(shù)量為50個，內(nèi)翅片厚1 mm。采用響應(yīng)面優(yōu)化方案優(yōu)化設(shè)計功能(RSO Optimum)，得出ATCA板卡散熱翅片優(yōu)化參數(shù)組合：1)Hb為2.7 mm；2)Hint為14.3mm；3)內(nèi)翅片數(shù)量為60個；4)Wint為1.5 mm。

圖4為翅片參數(shù)優(yōu)化前、后ATCA板卡的溫度分布圖。由圖4可知，優(yōu)化前、后芯片最高殼溫(CHIP1附近)由92.4 ℃降低至83.8 ℃，出風(fēng)口處芯片殼溫普遍高于進風(fēng)口處芯片殼溫。由此說明在設(shè)計印制板時，需盡量將發(fā)熱功率較高的器件布置在靠近進風(fēng)口處而將發(fā)熱功率相對較低且熱穩(wěn)定性相對較好的器件布置在出風(fēng)口附近。

2.2 插箱級分析與優(yōu)化

在插箱級熱仿真分析過程中采用翅片參數(shù)優(yōu)化后的ATCA板卡，進一步研究風(fēng)道設(shè)計和風(fēng)機選型對ATCA插箱散熱性能的影響。

2.2.1 風(fēng)道設(shè)計

考慮到風(fēng)機安裝維護與取電的便利性，本文擬選用并聯(lián)風(fēng)機從插箱頂部抽風(fēng)的方式進行強迫風(fēng)冷。進風(fēng)口設(shè)置在插箱前部下方，出風(fēng)口設(shè)置在插箱后部上方。為降低空氣流動阻力，在風(fēng)道中拐角較大的位置安裝導(dǎo)流板。ATCA插箱的風(fēng)道設(shè)計效果如圖5所示。

圖5 ATCA插箱風(fēng)道設(shè)計示意圖

2.2.2 風(fēng)機選型

ATCA插箱內(nèi)部共有14塊刀片式板卡(單板功率300 W)，插箱總發(fā)熱量Q為4 200 W。已知插箱進風(fēng)溫度ta1=55 ℃，假定出風(fēng)溫度ta2=65 ℃，則空氣進、出口溫差Δta=ta2-ta1=10℃。查得冷卻風(fēng)的定壓比熱容Cp= 1 005 J/(kg·K)，冷卻風(fēng)的密度ρ= 1.06 kg/m3，則ATCA插箱的設(shè)計風(fēng)量為：

(2)

考慮到漏風(fēng)情況，取設(shè)計風(fēng)量為1 500 m3/h。

當(dāng)風(fēng)機選用數(shù)量為6個時，平均每個風(fēng)機提供的風(fēng)量需達到250 m3/h。根據(jù)風(fēng)機產(chǎn)品手冊提供的風(fēng)機曲線及相關(guān)參數(shù)，可初步篩選出合適的風(fēng)機型號。然后利用FLOTHERM軟件對每種情況進行仿真分析。圖6為分別選用6個4118NHH、4118NH3、4118NH4、4118NH6和4118N/2H8P風(fēng)機并聯(lián)時ATCA插箱的最高溫度值。從圖6可以看出，選用4118N/2H8P風(fēng)機時可滿足環(huán)境要求。圖7為選用6個4118N/2H8P風(fēng)機時插箱內(nèi)板卡及進、出口風(fēng)的溫度分布情況。從圖7可知：插箱的最高溫度值為83.1 ℃，滿足環(huán)境要求；插箱進風(fēng)溫度為55 ℃，出風(fēng)溫度約為64 ℃，與設(shè)計風(fēng)量時假定的65 ℃出風(fēng)溫度近似，因此風(fēng)量設(shè)計合理。

圖6 選用不同型號風(fēng)機時插箱最高溫度值

圖7 選用4118N/2H8P風(fēng)機時ATCA插箱溫度分布云圖

圖8為6個4118N/2H8P風(fēng)機的工作點示意圖。由圖8可知，靠近插箱前面板的3個風(fēng)機提供的風(fēng)量分別為217 m3/h、198 m3/h、178 m3/h；靠近插箱背板的3個風(fēng)機提供的風(fēng)量分別為412m3/h、407m3/h、449 m3/h。風(fēng)機提供的總風(fēng)量為1 861 m3/h，大于設(shè)計風(fēng)量。

圖8 ATCA插箱中6個4118N/2H8P風(fēng)機的工作點

圖9為穿過CHIP1且垂直于翅片方向的切面速度云圖，從圖9可以看出，插箱中靠近前面板的風(fēng)速低于靠近背板處的風(fēng)速。因此，在布置印制板上元器件時應(yīng)盡量將高熱流密度元器件布置在靠近背板處。

圖9 切面速度分布云圖

3 結(jié)束語

本文在某新型ATCA插箱設(shè)計研發(fā)之初對其進行了熱學(xué)仿真分析。根據(jù)熱仿真分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1)綜合優(yōu)化ATCA板卡翅片參數(shù)，可提高板卡散熱效率。所得到的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為：基板厚2.7 mm，內(nèi)翅片高14.3 mm，內(nèi)翅片厚1.5 mm，內(nèi)翅片的數(shù)量為60個。建議在設(shè)計印制板時將熱功耗高的器件布置在靠近進風(fēng)處的位置，而將熱功耗較低且熱穩(wěn)定性較好的器件布置在靠近出風(fēng)處的位置。

2)6個并聯(lián)的4118N/2H8P風(fēng)機在工作時提供的風(fēng)量可滿足設(shè)計要求，采用優(yōu)化翅片參數(shù)板卡的ATCA插箱可滿足環(huán)境要求。

3)經(jīng)過插箱級分析發(fā)現(xiàn)，靠近插箱背板處的風(fēng)速普遍高于靠近前面板處的風(fēng)速。因此當(dāng)插箱的進出風(fēng)形式與本文相似時，建議在設(shè)計電路板時將高熱流密度發(fā)熱元件布置在靠近插箱背板處。

[1] 侯旭敏, 鄭正奇, 童燕, 等. 一種基于ATCA平臺下的IPMI監(jiān)視軟件[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展, 2008, 18(2): 17-20.

[2] 劉家華. 某型雷達密封機箱散熱結(jié)構(gòu)研究[J]. 電子機械工程, 2012, 28(4): 40-42.

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[5] 李玉寶, 李增榮, 高利兵. 某高功率密度密閉電源的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計[J]. 電子機械工程, 2012, 28(5): 19-21.

[6] 余建祖, 高紅霞, 謝永奇. 電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M]. 2版. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

徐計元(1988-)，男，工程師，主要從事雷達產(chǎn)品熱設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Thermal Simulation and Optimization Design for a Novel ATCA Chassis

XU Ji-yuan，JIANG Bo，SUN Fan，XIAO Ke-qi，LI Dong-lai

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

With the rapid increase of integration density and heat flux of the new electronic equipment with ATCA standard, great pressure has been placed on its cooling. In this paper, the thermal simulation for a novel ATCA chassis (The PCB power is 300 W) at module level and chassis level are performed based on FLOTHERM. The effect of the plate-fin parameters on the cooling of electronic chips is firstly researched and then the effect of wind path design and fan selection on the cooling of ATCA chassis is studied. Finally optimization suggestions on the structure design of ATCA modules and chassis are provided. The thermal simulation and optimization methods introduced in this paper can be used as reference for the air cooling chassis design of the new electronic equipment.

ATCA; FLOTHERM; thermal simulation; chassis

2015-10-20

TP391.9

A

1008-5300(2015)06-0061-04