［陸宣博 甘泉 蒙志雄］

1 引言

電子設(shè)備一般是由多種不同的控制接口和輸入輸出的電子器件組合而成，這些電子器件的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電子設(shè)備的性能，而熱性能又是其中一項(xiàng)重要的可靠性指標(biāo)[1][2]。近年來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)化接口的3U-VPX 高密度集成板卡便于快速插拔和優(yōu)異的互換性，受到越來(lái)越多的客戶青睞和選擇。但是，由于光通信電子設(shè)備通訊速率的速發(fā)展，推高了電子設(shè)備的功耗，高功耗帶來(lái)的高溫對(duì)電子設(shè)備的穩(wěn)定性造成了較大的影響，3U-VPX 光通信電子設(shè)備的散熱問(wèn)題也越來(lái)越突出[3][4]。為了解決3U-VPX 光通信電子設(shè)備突出的散熱問(wèn)題，本文將研究設(shè)計(jì)一種光通信電子設(shè)備機(jī)箱（本文研究的設(shè)備除了進(jìn)出風(fēng)口，其余密封），通過(guò)建立等比例三維數(shù)字化虛擬模型，使用熱仿真軟件進(jìn)行真實(shí)熱環(huán)境模擬和熱仿真迭代分析，給出詳細(xì)可靠的設(shè)計(jì)要素和依據(jù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而解決散熱問(wèn)題。同時(shí)也給同類型電子設(shè)備遇到的散熱問(wèn)題，提供了一種有效的設(shè)計(jì)方法和解決方案[5]。

2 熱設(shè)計(jì)

綜合考慮減輕重量、良好的散熱效果、電池兼容、備料時(shí)效性和機(jī)加工成熟度等因素，該電子設(shè)備選擇使用防銹鋁合金材料。該設(shè)備為5U 高度機(jī)箱，為了提升設(shè)備的裝機(jī)容量，在同等寬度條件下盡可能多的插入板卡，采用了前插和后插兩種結(jié)構(gòu)形式；為了提升人機(jī)交互的友好性和考慮設(shè)備的整理維護(hù)性能，前面板底部設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口容易有灰塵，配備可更換防塵網(wǎng)，方便后期更換維護(hù)；后面板頂部設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀出風(fēng)口。如圖1 所示。

圖1 3U-VPX 光通信電子設(shè)備前插和后插正面透視圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，3U-VPX 板卡的設(shè)計(jì)熱耗為25 W，整機(jī)共8 個(gè)板卡，總設(shè)計(jì)熱耗約200 W，該板卡裝配后如圖 2 所示。熱源主要集中在3U-VPX 板卡上的高功率芯片（如DSP、FPGA、三極管、電源管理芯片等）；如圖3所示，板卡上的熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)是：由于3U-VPX 板卡是相對(duì)密閉的，主要的散熱方式是熱傳導(dǎo)，通過(guò)1 mm 厚的彈性導(dǎo)熱墊填充芯片和凸臺(tái)間的縫隙，盡可能地降低芯片和凸臺(tái)間的接觸熱阻，芯片的熱量通過(guò)彈性導(dǎo)熱墊傳遞到凸臺(tái)，凸臺(tái)和殼體是一體成型的，熱量快速傳導(dǎo)到板卡殼體上，再通過(guò)板卡殼體上的散熱齒把熱量傳導(dǎo)到周圍空氣，最終完成了芯片到周圍空氣的熱交換。板卡殼體的散熱齒和凸臺(tái)如圖2 和圖4 所示。

圖2 3UVPX 板卡裝配透視圖

圖3 3UVPX 電路板芯片示意圖

圖4 板卡殼體上生長(zhǎng)的導(dǎo)熱凸臺(tái)

根據(jù)電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)，自然冷卻無(wú)法滿足熱設(shè)計(jì)要求（圖8 所示為仿真結(jié)果），需要使用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱[6]。該電子設(shè)備的風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖5 所示，設(shè)備風(fēng)道由兩個(gè)風(fēng)道組成，流體主要流經(jīng)前插板卡和后插板卡，分別是風(fēng)道1（虛線箭頭）和風(fēng)道2（實(shí)線箭頭）。風(fēng)道1 的路徑如圖5 所示虛線箭頭組成，即從前面板網(wǎng)狀進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，經(jīng)過(guò)機(jī)箱底部公共風(fēng)道，依次進(jìn)入板卡殼體上的散熱齒，在進(jìn)入風(fēng)扇1 之前的風(fēng)壓是負(fù)壓，負(fù)風(fēng)壓的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)流量能較均勻的流經(jīng)風(fēng)阻相當(dāng)?shù)陌蹇んw上的散熱齒，獲得較充分的熱交換，從而最大限度把芯片的熱量傳導(dǎo)到流體中；然后經(jīng)過(guò)風(fēng)扇1 后，形成了正風(fēng)壓，經(jīng)過(guò)機(jī)箱頂部公共風(fēng)道，排出后面板網(wǎng)狀出風(fēng)口。風(fēng)道2 路徑如圖 5 所示實(shí)線箭頭組成，風(fēng)道2 設(shè)計(jì)參考風(fēng)道1。根據(jù)流體垂直流向的特點(diǎn)，選取離心類型風(fēng)扇，離心風(fēng)扇有較強(qiáng)的靜壓和流速。

圖5 風(fēng)道設(shè)計(jì)示意圖

3 熱仿真分析

該設(shè)備的工作環(huán)境溫度設(shè)定為50℃，板卡上的芯片溫度不超過(guò)85℃。為了驗(yàn)證該電子設(shè)備的熱傳遞路徑和風(fēng)道設(shè)計(jì)，使用熱分析軟件FLOTHERM 對(duì)該電子設(shè)備的三維數(shù)字化虛擬模型（如圖1 所示）進(jìn)行仿真分析。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置了工作環(huán)境參數(shù)（如表1 所示），在不影響仿真結(jié)果的前提下，對(duì)三維模型進(jìn)行了必要的優(yōu)化，降低模型復(fù)雜度，提升運(yùn)算效率和收斂成功率，如刪除倒角、螺紋孔、小圓孔等。相對(duì)于熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，熱輻射的量級(jí)較小，可以忽略不計(jì)，本次仿真暫不考慮。對(duì)印制板上的熱耗超過(guò)1 W 的器件建立模型和設(shè)定對(duì)應(yīng)的熱耗和材料參數(shù)；對(duì)于小于1 W 熱耗的器件不進(jìn)行單獨(dú)建模，并把熱耗均勻分布到印制板上。開始進(jìn)行熱分析計(jì)算前，需要對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分的結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示。

表1 工作環(huán)境參數(shù)要求

圖6 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置

圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 仿真求解與結(jié)果分析

對(duì)比圖8 和圖9 的溫度分布云圖，分析可知，設(shè)備的最高溫度出現(xiàn)在芯片上，相比于159℃（如圖8 所示），經(jīng)過(guò)3U-VPX 板卡殼體的熱傳導(dǎo)路徑設(shè)計(jì)和整機(jī)的風(fēng)道設(shè)計(jì)后，溫度獲得了大幅度下降，降為82.1℃（圖9，圖11），滿足設(shè)計(jì)要求的不超過(guò)85℃，說(shuō)明以上熱設(shè)計(jì)措施達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 初始溫度分布云圖

圖9 熱設(shè)計(jì)溫度分布云圖

為了直觀地研究流體流速流量等重要參數(shù)、驗(yàn)證風(fēng)道設(shè)計(jì)是否合理和選取合適的風(fēng)扇，透明化了8 個(gè)板卡、左右側(cè)板和頂部蓋板，空氣流體的流速和流量仿真結(jié)果如圖10 和圖11 所示。從圖10 中可以清晰地觀查到，空氣流體從前面板進(jìn)風(fēng)孔分成兩個(gè)風(fēng)道，較均勻地流過(guò)每個(gè)板卡的散熱齒，板卡散熱齒均勻地獲得了充分的熱量交換，從而有效保證了芯片的散熱。空氣流體分別進(jìn)入兩路離心風(fēng)扇，以正壓的形式流出后面板通風(fēng)孔，把熱量帶出設(shè)備外，最終完成了散熱。從仿真結(jié)果可知，風(fēng)道設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并得到如圖12 所示風(fēng)扇的單位時(shí)間流量V 和靜壓P，此參數(shù)為滿足散熱設(shè)計(jì)要求的最小值參數(shù)，可根據(jù)該參數(shù)選擇合適的風(fēng)扇工作點(diǎn)。經(jīng)過(guò)換算，單位時(shí)間流量V=0.011 799 m3/s=25 CFM，靜壓P=179.2 Pa=18.28 mmaq。

圖10 空氣流體流速流量仿真云圖

圖11 流體流經(jīng)芯片的最高溫度云圖

圖12 風(fēng)扇的單位時(shí)間流量和靜壓仿真參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化接口的3U-VPX 高密度集成板卡的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種符合熱設(shè)計(jì)要求的光通信電子設(shè)備機(jī)箱（本文研究的設(shè)備除進(jìn)出風(fēng)口，其余均密封），結(jié)合3U-VPX 板卡較密閉的特性，進(jìn)行了熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)和熱對(duì)流設(shè)計(jì)；對(duì)比仿真結(jié)果，芯片最高溫度由159℃下降到82.1℃，滿足設(shè)計(jì)要求的85℃。另外，從仿真結(jié)果中得到風(fēng)扇的單位時(shí)間流量V=25 CFM 和靜壓P=18.28 mmaq 參數(shù)，為在工程設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中選取合適的風(fēng)扇提供了數(shù)據(jù)依據(jù)和有價(jià)值的指導(dǎo)。