一種空間受限大功率VPX 機箱熱設計與分析

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 471000)

隨著科技的發展及工業智能化程度的提高，電子設備具備高速化、集成化、小型化等特點。高度集成化的芯片提升了信號處理和數據傳輸的速率，但增加的熱流密度也帶來了嚴酷的散熱問題[1]。隨著熱量的累積，若不采取有效的散熱措施，元器件溫度會持續上升，當接近或超過元器件的極限溫度時會導致其壽命縮短甚至燒毀，降低設備運行的可靠性[2－5]。

電子設備設計時，應考慮產品的標準化和通用化要求，實施標準化、通用化的設計對提高產品質量、生產效率、使用維修、降低生產成本等具有重要作用。19 英寸插箱作為一種標準化上架機箱，符合GJB100尺寸系列要求，在軍用車載、地面環境廣泛應用。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。對某些安裝空間受限的插箱，最極限時插箱高度僅為1U，此時既要保證信號正常傳輸和處理，還需要在有限空間內實現機箱的散熱。

本文以19 英寸1U 插箱為研究對象，插箱內包含信號處理模塊和接口拓展模塊，其中信號處理模塊單板熱耗高、熱點分布復雜。通過風道優化、風機選型以及冷板改進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，芯片散熱不良的問題。

1 結構設計與散熱方案

1.1 機箱結構組成

設備為19 英寸的標準VPX 機箱，高度為1U，尺寸為482.6 mm×43.6 mm×480 mm(寬×高×深)。機箱內有1 個槽位，插卡形式為前插和后插方式，包含信號處理模塊和接口拓展模塊。機箱內背板垂直安裝，通過背板實現信號處理板與接口擴展板間信號互連。信號處理模塊包含一塊主板、兩塊子板，主板與子板間通過FMC 連接器對插。

機箱安裝在19 英寸標準機柜內部，機柜前、后面板設有通風窗，其余方向均為密閉空間。因此，將機箱前后方向作為進出風方向，風向為前進風后出風，熱空氣通過機柜后面板排出，機箱結構布局如圖1 所示。機箱結構設計在充分考慮散熱的同時，還需采取有效的電磁兼容措施，因此在機箱進出風口安裝波導通風窗，防止電磁信號的泄露。冷板材料采用導熱性能較好的鋁合金6063，導熱率大于200 W/(m?K)，可避免熱量集中，提高冷板均溫性[6]。

圖1 機箱結構布局圖

1.2 散熱方案

機箱安裝于某設備艙，固定在設備架內。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]到環境舒適性要求，風機全速轉動時噪聲應低于60 dB。機箱內熱耗主要集中在信號處理板，單板熱耗接近100 W，單個芯片最高熱耗30 W。接口拓展板熱耗較低，不超過20 W?？紤]到各芯片溫升要求小于30 ℃，機箱總體散熱方案為直接風冷方式，冷空氣吹過冷板散熱齒，通過強迫對流帶走模塊熱量。該散熱方案得以實現的關鍵點在于:

①根據機箱工作環境，合理設計風道，減小風阻，保證風道順暢，避免機箱內出現風道短路，空氣回流問題；

②通過熱平衡方程進行風機選型，但由于1U機箱高度有限，風機最大外形尺寸受限，在滿足散熱前提下還需考慮噪聲要求；

③針對信號處理板芯片分布特點，設計一種無散熱死區的冷板結構，兼顧主板及子板上各發熱芯片散熱；

④通過ANSYS Icepak 相關軟件進行整機建模仿真，驗證散熱方案，分析散熱效果，判斷各芯片是否滿足散熱要求。

1.2.1 風道優化

對于強迫風冷的設備，風道設計的合理性決定了風機的工作效率及模塊的散熱效果[7]。風道設計完成后，還需要引導空氣沿預定的路徑流動。由機箱工作環境可知，機柜前后方向設有通風窗，因此機箱進、出風方向為前進后出，風道整體為直線型。為增大風壓，提高風機工作效率，在機箱前、后面板串聯風機。由于機箱中信號處理模塊熱耗較高，后面板風機靠近信號處理板，減少風量損失。為避免線束阻礙空氣流動，機箱內線束均進行捆扎，并沿側壁走線。機箱風道軌跡如圖2 所示，前面板進風，后面板出風。

圖2 機箱風道示意

1.2.2 風機選型

機箱內信號處理模塊與接口拓展模塊風道相互獨立，強迫風冷時風機分別帶走兩模塊上熱量。由于信號處理模塊熱耗較高，因此以信號處理模塊熱平衡計算結果作為風機選型依據。根據熱平衡方程[8－10]:

式中:Q為信號處理模塊熱耗，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為空氣進出口溫升。由于機箱內總溫升不超過30 ℃，空氣溫升按不超過10 ℃計算所需風量。計算出信號處理模塊理論所需風量為0.007 89 m3/s。

考慮到空氣通過進、出風口的風阻及在機箱內由于沖擊、摩擦引起的壓力損失，風機的工作點一般在風機特性曲線的前30%處，即風機有效風量大約為最大風量的30%，因此風機最大風量應不小于0.026 3 m3/s。

由于1U 插箱高度限制，機箱內安裝風機的最大外形尺寸為40 mm×40 mm。但單個風機性能難以滿足機箱散熱要求，因此考慮風機并聯從而增大風量。在對應尺寸下的風機選型手冊中選擇3 個風機并聯排布，特性曲線如圖3 所示，單個風機最大風量為0.009 33 m3/s，并聯后最大風量為0.027 8 m3/s，滿足風量要求。接口拓展模塊熱耗不高于20 W，約為信號處理模塊熱耗的22%，1 個風機可滿足散熱要求。因此在機箱前面板共安裝4 個風機，為保證機箱進風量與出風量相匹配，在后面板安裝相同數量風機。單個風機噪聲為47.5 dB，多個相同風機疊加噪聲可通過式(2)計算，得到總噪聲為56.5 dB，滿足風機最大噪聲低于60 dB 的要求。

圖3 風機特性曲線

式中:N為疊加后的噪聲；N1為單個風機噪聲；n為相同風機數量。

為確保設備在高溫下正常工作，有必要對風機運行狀態進行實時監測。通過顯示控制板采集各風機轉速信號，再將信號上傳至背板。當風機正常工作時，背板輸出低電平；當風機運行故障時，背板輸出高電平。背板向顯示控制板發送信號，控制前面板上8 個LED 燈狀態。當輸出低電平信號，指示燈常亮；當輸出高電平信號時，指示燈閃爍，代表該指示燈對應的風機故障。

1.2.3 冷板設計及改進

機箱內信號處理板熱耗較高，且熱點分布在主板和子板上，設計冷板時需保證板卡上各芯片均得到有效冷卻，無散熱死區。子板與主板之間采用FMC 連接器對插，板間距固定，為10 mm。子板散熱器位于子板和主板之間，散熱齒方向朝內側。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 ℃，則對應熱流密度在0.06 W/cm2左右，由此可計算出主板散熱面積應大于1.33×105mm2。由于模塊尺寸為標準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，為有效冷卻子板芯片，在主板散熱器兩側開有通風口，使冷空氣進入子板散熱器，如圖4 所示。理想狀態下，一部分風會從冷板側通風口進入，流進子板散熱翅片中，實現子板散熱。但由于子板散熱器和側通風口之間芯片密集，如圖5 所示。芯片及其導熱凸臺遮擋了子板散熱器，阻礙空氣流入，導致子板存在散熱死區。因此，需要對主板散熱器進行優化，重新建立風道，迫使冷空氣進入子板散熱器中。

圖4 信號處理模塊主板散熱器結構

圖5 信號處理模塊子板散熱器結構

改進后的冷板結構如圖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板，避免風從子板與蓋板之間直接流出。最后，在機箱前、后面板風機的共同作用下，迫使冷空氣進入風道并通過兩子板的散熱翅片，實現子板芯片散熱。

圖6 改進前后冷板結構對比

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、模型轉化、參數設置及網格劃分、求解計算[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PREO 或CREO 建立初始模型，再導入ANSYS SCDM 平臺對復雜模型進行簡化，在不影響傳熱路徑和散熱方式的原則下，刪除對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模型轉化:修復后的模型使用Geometry 導入至DesignModeler，首先將模型旋轉調整至與重力方向相一致，軟件默認Y 的負方向為重力方向。對于復合體，使用切割命令分割成Icepak 認可的簡單幾何體，便于后續在Icepak 中編輯。最后，利用Electronics對模型中不同器件進行轉化。

③參數設置及網格劃分:通過Workbench 將DM 轉化后模型導入Icepak 軟件，根據機箱實際使用環境設置邊界條件。機箱進、出風口采用加有風阻的濾網Grille 代替。板卡發熱器件的熱耗施加在各芯片上，導熱墊導熱率按3 W/m?K。劃分網格時，對冷板翅片局部建組，劃分非連續網格，減少網格數量[14]。

④求解計算:求解設置時在Basic parameter 窗口中打開輻射、傳導及對流，并考慮重力對散熱的影響，流動形式為湍流。環境溫度設置為55 ℃，Transient setup 面板中選擇穩態計算，即系統達到熱平衡后計算完成。

3 結果分析

當各變量方程殘差小于系統默認設置的值時，代表結果收斂，達到熱平衡。此時通過Icepak 的后處理工具可分析各板卡溫度及流場軌跡線，判斷各芯片殼溫是否滿足要求，流場軌跡是否正確等[15]。

冷板改進前后，子板溫度對比如圖8 所示，子板散熱翅片間風速對比如圖9 所示。從圖8、圖9 可以看出，改進后的子板芯片溫度降低了5 ℃左右，子板散熱翅片間風速由1.05 m/s 增至3.28 m/s，說明改進后的冷板結構可以有效增加子板散熱器內的風量，避免了原方案中子板散熱不良的缺點，降低了芯片溫度。

圖8 改進前、后信號處理模塊子板溫度分布

圖9 改進前、后信號處理模塊子板散熱翅片截面風速對比

改進前、后的主板溫度分布云圖如圖10 所示，改進后芯片最高殼溫為83.75 ℃，滿足殼溫低于85 ℃要求。機箱流場如圖11 所示，流場軌跡線與預設風道路線符合。主板散熱器內最高風速為5 m/s，子板最高風速為3.28 m/s。在Icepak 中Fan operating points讀取風機工作點，風壓為125 Pa，風量為0.002 7 m3/s，基本在風機特性曲線前30%處，與風機選型時預估結果相同。

圖10 改進前、后信號處理模塊主板溫度分布

圖11 機箱流場圖

為了得到機箱達到熱平衡的時間，同時監測部分關鍵芯片從初始工作到穩定狀態的溫度變化趨勢，對整機進行瞬態仿真，總時長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，對溫度敏感，因此需重點關注。芯片1、芯片2 及子板溫度最高芯片(芯片3)的溫度隨時間變化趨勢如圖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，工作1 000 s 左右溫度達到熱平衡。

圖12 芯片溫度隨時間變化趨勢

若不安裝后面板風機，只通過前面板風機吹風散熱，在無串聯增壓情況下，對機箱進行瞬態仿真。圖13 為三種芯片溫度隨時間變化趨勢。此時單個風機工作點風壓增大，風量減少，風機工作點左移，三種芯片溫度比風機串聯時溫度升高3 ℃～4 ℃，且芯片殼溫均超過85 ℃。

圖13 無后面板風機時芯片溫度隨時間變化趨勢

4 結論

針對某1U 上架插箱散熱條件嚴苛，導致散熱困難的問題，開展了一種空間受限大功率VPX 機箱熱設計工作。通過風道優化、風機選型以及冷板改進等措施完成了機箱的熱設計方案。再結合Icepak等相關軟件對模型進行仿真計算，驗證了該散熱方案的有效性，并得出以下結論:

①當機箱空間有限且單板熱耗較高時，風機安裝尺寸受限，無法選擇風量較大的高性能、大尺寸風機。此時可通過多個小風機并聯增加風量，串聯增大風壓，從而使風機工作點右移。但風機數量較多時會導致噪聲疊加，因此可利用風機的調速功能在不同環境溫度下改變轉速降低噪聲；

②由仿真結果可以得出改進后的冷板結構散熱效果優于改進前的冷板，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。該冷板結構也為其他熱點分布復雜，熱耗較大的模塊設計提供了思路；

③由于機箱內部空間狹小，且模塊與機箱之間不導熱，熱空氣主要通過風機強迫對流帶出，風機是否正常工作直接影響設備運行的可靠性。因此采集各風機轉速信號并傳至背板，通過背板反饋信號實現對風機狀態的實時監測；

④從瞬態仿真結果得出機箱達到熱平衡時間約為1 000 s(17 min 左右)，而一般自然對流機箱達到熱平衡時間為25 min～30 min，是因為在風機強迫對流作用下加快了空氣流通，促進了機箱內、外熱量交換，縮短了機箱達到熱平衡的時間。