郝丙仁，謝 馨，李慧利，呂克歌

(中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

隨著科技的發(fā)展及工業(yè)智能化程度的提高，電子設(shè)備具備高速化、集成化、小型化等特點(diǎn)。高度集成化的芯片提升了信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩黾拥臒崃髅芏纫矌?lái)了嚴(yán)酷的散熱問(wèn)題[1]。隨著熱量的累積，若不采取有效的散熱措施，元器件溫度會(huì)持續(xù)上升，當(dāng)接近或超過(guò)元器件的極限溫度時(shí)會(huì)導(dǎo)致其壽命縮短甚至燒毀，降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性[2－5]。

電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化要求，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、使用維修、降低生產(chǎn)成本等具有重要作用。19 英寸插箱作為一種標(biāo)準(zhǔn)化上架機(jī)箱，符合GJB100尺寸系列要求，在軍用車載、地面環(huán)境廣泛應(yīng)用。19 英寸插箱高度以U 為單位(1U ＝44.45 mm，H ＝n×U－0.8 mm)，高度范圍包含1U 到12U。對(duì)某些安裝空間受限的插箱，最極限時(shí)插箱高度僅為1U，此時(shí)既要保證信號(hào)正常傳輸和處理，還需要在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的散熱。

本文以19 英寸1U 插箱為研究對(duì)象，插箱內(nèi)包含信號(hào)處理模塊和接口拓展模塊，其中信號(hào)處理模塊單板熱耗高、熱點(diǎn)分布復(fù)雜。通過(guò)風(fēng)道優(yōu)化、風(fēng)機(jī)選型以及冷板改進(jìn)等措施提出了一種有效的散熱方案，采用基于Icepak 的CFD 仿真方法模擬了高溫條件下板卡溫度分布情況，解決了1U 插箱單板熱耗較高時(shí)，芯片散熱不良的問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱方案

1.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成

設(shè)備為19 英寸的標(biāo)準(zhǔn)VPX 機(jī)箱，高度為1U，尺寸為482.6 mm×43.6 mm×480 mm(寬×高×深)。機(jī)箱內(nèi)有1 個(gè)槽位，插卡形式為前插和后插方式，包含信號(hào)處理模塊和接口拓展模塊。機(jī)箱內(nèi)背板垂直安裝，通過(guò)背板實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理板與接口擴(kuò)展板間信號(hào)互連。信號(hào)處理模塊包含一塊主板、兩塊子板，主板與子板間通過(guò)FMC 連接器對(duì)插。

機(jī)箱安裝在19 英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)部，機(jī)柜前、后面板設(shè)有通風(fēng)窗，其余方向均為密閉空間。因此，將機(jī)箱前后方向作為進(jìn)出風(fēng)方向，風(fēng)向?yàn)榍斑M(jìn)風(fēng)后出風(fēng)，熱空氣通過(guò)機(jī)柜后面板排出，機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局如圖1 所示。機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在充分考慮散熱的同時(shí)，還需采取有效的電磁兼容措施，因此在機(jī)箱進(jìn)出風(fēng)口安裝波導(dǎo)通風(fēng)窗，防止電磁信號(hào)的泄露。冷板材料采用導(dǎo)熱性能較好的鋁合金6063，導(dǎo)熱率大于200 W/(m?K)，可避免熱量集中，提高冷板均溫性[6]。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局圖

1.2 散熱方案

機(jī)箱安裝于某設(shè)備艙，固定在設(shè)備架內(nèi)。工作溫度為－10 ℃～55 ℃。散熱要求為板卡各芯片仿真殼溫低于85 ℃?？紤]到環(huán)境舒適性要求，風(fēng)機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噪聲應(yīng)低于60 dB。機(jī)箱內(nèi)熱耗主要集中在信號(hào)處理板，單板熱耗接近100 W，單個(gè)芯片最高熱耗30 W。接口拓展板熱耗較低，不超過(guò)20 W?？紤]到各芯片溫升要求小于30 ℃，機(jī)箱總體散熱方案為直接風(fēng)冷方式，冷空氣吹過(guò)冷板散熱齒，通過(guò)強(qiáng)迫對(duì)流帶走模塊熱量。該散熱方案得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于:

①根據(jù)機(jī)箱工作環(huán)境，合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，減小風(fēng)阻，保證風(fēng)道順暢，避免機(jī)箱內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)道短路，空氣回流問(wèn)題；

②通過(guò)熱平衡方程進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型，但由于1U機(jī)箱高度有限，風(fēng)機(jī)最大外形尺寸受限，在滿足散熱前提下還需考慮噪聲要求；

③針對(duì)信號(hào)處理板芯片分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種無(wú)散熱死區(qū)的冷板結(jié)構(gòu)，兼顧主板及子板上各發(fā)熱芯片散熱；

④通過(guò)ANSYS Icepak 相關(guān)軟件進(jìn)行整機(jī)建模仿真，驗(yàn)證散熱方案，分析散熱效果，判斷各芯片是否滿足散熱要求。

1.2.1 風(fēng)道優(yōu)化

對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)備，風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性決定了風(fēng)機(jī)的工作效率及模塊的散熱效果[7]。風(fēng)道設(shè)計(jì)完成后，還需要引導(dǎo)空氣沿預(yù)定的路徑流動(dòng)。由機(jī)箱工作環(huán)境可知，機(jī)柜前后方向設(shè)有通風(fēng)窗，因此機(jī)箱進(jìn)、出風(fēng)方向?yàn)榍斑M(jìn)后出，風(fēng)道整體為直線型。為增大風(fēng)壓，提高風(fēng)機(jī)工作效率，在機(jī)箱前、后面板串聯(lián)風(fēng)機(jī)。由于機(jī)箱中信號(hào)處理模塊熱耗較高，后面板風(fēng)機(jī)靠近信號(hào)處理板，減少風(fēng)量損失。為避免線束阻礙空氣流動(dòng)，機(jī)箱內(nèi)線束均進(jìn)行捆扎，并沿側(cè)壁走線。機(jī)箱風(fēng)道軌跡如圖2 所示，前面板進(jìn)風(fēng)，后面板出風(fēng)。

圖2 機(jī)箱風(fēng)道示意

1.2.2 風(fēng)機(jī)選型

機(jī)箱內(nèi)信號(hào)處理模塊與接口拓展模塊風(fēng)道相互獨(dú)立，強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)風(fēng)機(jī)分別帶走兩模塊上熱量。由于信號(hào)處理模塊熱耗較高，因此以信號(hào)處理模塊熱平衡計(jì)算結(jié)果作為風(fēng)機(jī)選型依據(jù)。根據(jù)熱平衡方程[8－10]:

式中:Q為信號(hào)處理模塊熱耗，為92 W；CP為空氣比熱容，常壓下CP為1 005 J/kg?℃；ρ為空氣密度，為1.16 kg/m3；V為所需空氣的體積流量；ΔT為空氣進(jìn)出口溫升。由于機(jī)箱內(nèi)總溫升不超過(guò)30 ℃，空氣溫升按不超過(guò)10 ℃計(jì)算所需風(fēng)量。計(jì)算出信號(hào)處理模塊理論所需風(fēng)量為0.007 89 m3/s。

考慮到空氣通過(guò)進(jìn)、出風(fēng)口的風(fēng)阻及在機(jī)箱內(nèi)由于沖擊、摩擦引起的壓力損失，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)一般在風(fēng)機(jī)特性曲線的前30%處，即風(fēng)機(jī)有效風(fēng)量大約為最大風(fēng)量的30%，因此風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量應(yīng)不小于0.026 3 m3/s。

由于1U 插箱高度限制，機(jī)箱內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)的最大外形尺寸為40 mm×40 mm。但單個(gè)風(fēng)機(jī)性能難以滿足機(jī)箱散熱要求，因此考慮風(fēng)機(jī)并聯(lián)從而增大風(fēng)量。在對(duì)應(yīng)尺寸下的風(fēng)機(jī)選型手冊(cè)中選擇3 個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)排布，特性曲線如圖3 所示，單個(gè)風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為0.009 33 m3/s，并聯(lián)后最大風(fēng)量為0.027 8 m3/s，滿足風(fēng)量要求。接口拓展模塊熱耗不高于20 W，約為信號(hào)處理模塊熱耗的22%，1 個(gè)風(fēng)機(jī)可滿足散熱要求。因此在機(jī)箱前面板共安裝4 個(gè)風(fēng)機(jī)，為保證機(jī)箱進(jìn)風(fēng)量與出風(fēng)量相匹配，在后面板安裝相同數(shù)量風(fēng)機(jī)。單個(gè)風(fēng)機(jī)噪聲為47.5 dB，多個(gè)相同風(fēng)機(jī)疊加噪聲可通過(guò)式(2)計(jì)算，得到總噪聲為56.5 dB，滿足風(fēng)機(jī)最大噪聲低于60 dB 的要求。

圖3 風(fēng)機(jī)特性曲線

式中:N為疊加后的噪聲；N1為單個(gè)風(fēng)機(jī)噪聲；n為相同風(fēng)機(jī)數(shù)量。

為確保設(shè)備在高溫下正常工作，有必要對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)顯示控制板采集各風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，再將信號(hào)上傳至背板。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，背板輸出低電平；當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障時(shí)，背板輸出高電平。背板向顯示控制板發(fā)送信號(hào)，控制前面板上8 個(gè)LED 燈狀態(tài)。當(dāng)輸出低電平信號(hào)，指示燈常亮；當(dāng)輸出高電平信號(hào)時(shí)，指示燈閃爍，代表該指示燈對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)故障。

1.2.3 冷板設(shè)計(jì)及改進(jìn)

機(jī)箱內(nèi)信號(hào)處理板熱耗較高，且熱點(diǎn)分布在主板和子板上，設(shè)計(jì)冷板時(shí)需保證板卡上各芯片均得到有效冷卻，無(wú)散熱死區(qū)。子板與主板之間采用FMC 連接器對(duì)插，板間距固定，為10 mm。子板散熱器位于子板和主板之間，散熱齒方向朝內(nèi)側(cè)。模塊總熱耗為92 W，主板熱耗為80 W。若散熱翅片的溫升小于15 ℃，則對(duì)應(yīng)熱流密度在0.06 W/cm2左右，由此可計(jì)算出主板散熱面積應(yīng)大于1.33×105mm2。由于模塊尺寸為標(biāo)準(zhǔn)6U 模塊，厚度固定，考慮到各芯片凸起高度及散熱翅片加工工藝，主板散熱翅片高度為7.5 mm、齒厚1 mm、齒間距3 mm，散熱面積為1.41×105mm2，滿足要求。

同時(shí)，為有效冷卻子板芯片，在主板散熱器兩側(cè)開有通風(fēng)口，使冷空氣進(jìn)入子板散熱器，如圖4 所示。理想狀態(tài)下，一部分風(fēng)會(huì)從冷板側(cè)通風(fēng)口進(jìn)入，流進(jìn)子板散熱翅片中，實(shí)現(xiàn)子板散熱。但由于子板散熱器和側(cè)通風(fēng)口之間芯片密集，如圖5 所示。芯片及其導(dǎo)熱凸臺(tái)遮擋了子板散熱器，阻礙空氣流入，導(dǎo)致子板存在散熱死區(qū)。因此，需要對(duì)主板散熱器進(jìn)行優(yōu)化，重新建立風(fēng)道，迫使冷空氣進(jìn)入子板散熱器中。

圖4 信號(hào)處理模塊主板散熱器結(jié)構(gòu)

圖5 信號(hào)處理模塊子板散熱器結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的冷板結(jié)構(gòu)如圖6 所示。首先在主板散熱器與子板相接處挖去部分冷板，留出8 mm 左右空氣通道，其次，在子板散熱器與蓋板之間增加擋風(fēng)板，避免風(fēng)從子板與蓋板之間直接流出。最后，在機(jī)箱前、后面板風(fēng)機(jī)的共同作用下，迫使冷空氣進(jìn)入風(fēng)道并通過(guò)兩子板的散熱翅片，實(shí)現(xiàn)子板芯片散熱。

圖6 改進(jìn)前后冷板結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 基于Icepak 熱仿真

基于Icepak 的CFD 仿真主要包括四方面，分別是建立熱模型、模型轉(zhuǎn)化、參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算[11－13]。熱仿真流程如圖7 所示。

圖7 基于Icepak 熱仿真流程圖

①建立熱模型:通過(guò)PREO 或CREO 建立初始模型，再導(dǎo)入ANSYS SCDM 平臺(tái)對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在不影響傳熱路徑和散熱方式的原則下，刪除對(duì)散熱影響不大的特征(圓角、倒角、螺釘孔，裝飾特征)及器件(連接器、安裝耳等)。

②模型轉(zhuǎn)化:修復(fù)后的模型使用Geometry 導(dǎo)入至DesignModeler，首先將模型旋轉(zhuǎn)調(diào)整至與重力方向相一致，軟件默認(rèn)Y 的負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?。?duì)于復(fù)合體，使用切割命令分割成Icepak 認(rèn)可的簡(jiǎn)單幾何體，便于后續(xù)在Icepak 中編輯。最后，利用Electronics對(duì)模型中不同器件進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

③參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分:通過(guò)Workbench 將DM 轉(zhuǎn)化后模型導(dǎo)入Icepak 軟件，根據(jù)機(jī)箱實(shí)際使用環(huán)境設(shè)置邊界條件。機(jī)箱進(jìn)、出風(fēng)口采用加有風(fēng)阻的濾網(wǎng)Grille 代替。板卡發(fā)熱器件的熱耗施加在各芯片上，導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱率按3 W/m?K。劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)冷板翅片局部建組，劃分非連續(xù)網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量[14]。

④求解計(jì)算:求解設(shè)置時(shí)在Basic parameter 窗口中打開輻射、傳導(dǎo)及對(duì)流，并考慮重力對(duì)散熱的影響，流動(dòng)形式為湍流。環(huán)境溫度設(shè)置為55 ℃，Transient setup 面板中選擇穩(wěn)態(tài)計(jì)算，即系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后計(jì)算完成。

3 結(jié)果分析

當(dāng)各變量方程殘差小于系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置的值時(shí)，代表結(jié)果收斂，達(dá)到熱平衡。此時(shí)通過(guò)Icepak 的后處理工具可分析各板卡溫度及流場(chǎng)軌跡線，判斷各芯片殼溫是否滿足要求，流場(chǎng)軌跡是否正確等[15]。

冷板改進(jìn)前后，子板溫度對(duì)比如圖8 所示，子板散熱翅片間風(fēng)速對(duì)比如圖9 所示。從圖8、圖9 可以看出，改進(jìn)后的子板芯片溫度降低了5 ℃左右，子板散熱翅片間風(fēng)速由1.05 m/s 增至3.28 m/s，說(shuō)明改進(jìn)后的冷板結(jié)構(gòu)可以有效增加子板散熱器內(nèi)的風(fēng)量，避免了原方案中子板散熱不良的缺點(diǎn)，降低了芯片溫度。

圖8 改進(jìn)前、后信號(hào)處理模塊子板溫度分布

圖9 改進(jìn)前、后信號(hào)處理模塊子板散熱翅片截面風(fēng)速對(duì)比

改進(jìn)前、后的主板溫度分布云圖如圖10 所示，改進(jìn)后芯片最高殼溫為83.75 ℃，滿足殼溫低于85 ℃要求。機(jī)箱流場(chǎng)如圖11 所示，流場(chǎng)軌跡線與預(yù)設(shè)風(fēng)道路線符合。主板散熱器內(nèi)最高風(fēng)速為5 m/s，子板最高風(fēng)速為3.28 m/s。在Icepak 中Fan operating points讀取風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，風(fēng)壓為125 Pa，風(fēng)量為0.002 7 m3/s，基本在風(fēng)機(jī)特性曲線前30%處，與風(fēng)機(jī)選型時(shí)預(yù)估結(jié)果相同。

圖10 改進(jìn)前、后信號(hào)處理模塊主板溫度分布

圖11 機(jī)箱流場(chǎng)圖

為了得到機(jī)箱達(dá)到熱平衡的時(shí)間，同時(shí)監(jiān)測(cè)部分關(guān)鍵芯片從初始工作到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度變化趨勢(shì)，對(duì)整機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)仿真，總時(shí)長(zhǎng)3 600 s。其中芯片1 熱耗較高，為30 W；芯片2 受高溫影響較大，對(duì)溫度敏感，因此需重點(diǎn)關(guān)注。芯片1、芯片2 及子板溫度最高芯片(芯片3)的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖12 所示。從圖12 中看出前400 s 溫度急劇上升，600 s 后逐漸趨于平穩(wěn)，工作1 000 s 左右溫度達(dá)到熱平衡。

圖12 芯片溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

若不安裝后面板風(fēng)機(jī)，只通過(guò)前面板風(fēng)機(jī)吹風(fēng)散熱，在無(wú)串聯(lián)增壓情況下，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行瞬態(tài)仿真。圖13 為三種芯片溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)。此時(shí)單個(gè)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)風(fēng)壓增大，風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)左移，三種芯片溫度比風(fēng)機(jī)串聯(lián)時(shí)溫度升高3 ℃～4 ℃，且芯片殼溫均超過(guò)85 ℃。

圖13 無(wú)后面板風(fēng)機(jī)時(shí)芯片溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

針對(duì)某1U 上架插箱散熱條件嚴(yán)苛，導(dǎo)致散熱困難的問(wèn)題，開展了一種空間受限大功率VPX 機(jī)箱熱設(shè)計(jì)工作。通過(guò)風(fēng)道優(yōu)化、風(fēng)機(jī)選型以及冷板改進(jìn)等措施完成了機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)方案。再結(jié)合Icepak等相關(guān)軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了該散熱方案的有效性，并得出以下結(jié)論:

①當(dāng)機(jī)箱空間有限且單板熱耗較高時(shí)，風(fēng)機(jī)安裝尺寸受限，無(wú)法選擇風(fēng)量較大的高性能、大尺寸風(fēng)機(jī)。此時(shí)可通過(guò)多個(gè)小風(fēng)機(jī)并聯(lián)增加風(fēng)量，串聯(lián)增大風(fēng)壓，從而使風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)右移。但風(fēng)機(jī)數(shù)量較多時(shí)會(huì)導(dǎo)致噪聲疊加，因此可利用風(fēng)機(jī)的調(diào)速功能在不同環(huán)境溫度下改變轉(zhuǎn)速降低噪聲；

②由仿真結(jié)果可以得出改進(jìn)后的冷板結(jié)構(gòu)散熱效果優(yōu)于改進(jìn)前的冷板，在不改變芯片布局和模塊尺寸的前提下，兼顧了主板和子板上各芯片的散熱。該冷板結(jié)構(gòu)也為其他熱點(diǎn)分布復(fù)雜，熱耗較大的模塊設(shè)計(jì)提供了思路；

③由于機(jī)箱內(nèi)部空間狹小，且模塊與機(jī)箱之間不導(dǎo)熱，熱空氣主要通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對(duì)流帶出，風(fēng)機(jī)是否正常工作直接影響設(shè)備運(yùn)行的可靠性。因此采集各風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)并傳至背板，通過(guò)背板反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

④從瞬態(tài)仿真結(jié)果得出機(jī)箱達(dá)到熱平衡時(shí)間約為1 000 s(17 min 左右)，而一般自然對(duì)流機(jī)箱達(dá)到熱平衡時(shí)間為25 min～30 min，是因?yàn)樵陲L(fēng)機(jī)強(qiáng)迫對(duì)流作用下加快了空氣流通，促進(jìn)了機(jī)箱內(nèi)、外熱量交換，縮短了機(jī)箱達(dá)到熱平衡的時(shí)間。