一种基于VITA标准的穿通液冷模块的设计

2021-03-19陈旭

环境技术 2021年1期

陈旭

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

引言

VITA标准模块最早是由以Motorola公司为首的几家公司于1981年推出的一种支持多处理器计算机系统的通用模块背板架构标准。它结合了Motorola的 VERSA 总线和欧卡模块机械规范, 定义了标准的印制电路板尺寸, 并带有标准的连接器接口用于连接PWB和背板, 每块VME背板根据需要可有2～21个插槽, 每个模块通过插槽与背板连接, 模块之间的数据交换通过背板完成[1]。

随着功能模块的耗散功率越来越大，模块的功耗由几十瓦到上百瓦，强迫风冷机架越来越不能解决机架中功能模块的散热问题。而更大的功耗，则往往需要采用液冷机架才能满足模块的散热。机载综合液冷机架将各种功能模块高度集成，将其结构形式规范化，统一机械安装接口、电气结构和液冷接口，这样对实现机载设备模块的三化具有极其重要的意义。

1 设计要求

模块设计要求主要包括：

1）模块满足VITA标准的结构形式；

2）模块在正常供液条件下（稳态），能持续正常工作；

3）模块在应急工作状态下（断液），能持续工作15 min以上。

2 模块结构设计

2.1 模块外形尺寸

基于Vita标准的模块基本尺寸为：160 mm（长）×233.4 mm（宽）×X mm（厚），模块的厚度通常可以是20 mm、24 mm、30 mm等规格，如图1所示为一个30 mm厚的模块。

2.2 模块组成

基于VITA标准的穿通液冷模块的组成如图2所示，主要包括起拔器、锁紧条、对外连接器、流体连接器、印制板和模块结构件。

3 散热设计

模块所在的机架中，几个主要发热模块功耗达到100 W甚至150 W，散热量巨大，根据过往的工程经验，此类模块需采用穿通液冷方式进行散热[2]。机架将来自液冷循环系统的冷却工作介质直接通入LRM模块冷板，模块内部元器件产生的热量由模块冷板通过传导方式实现热交换，由冷却工作介质将热量带走，如图3所示。

模块内部传热结构基本相同。对于多数芯片，模块采用冷板上加凸台的导热方式，缩短热路通径，同时降低扩散热阻，使得多数热量从冷板路径散出，减少传热温差，降低芯片温度。

在使用凸台导热时，突台顶部均设置了0.5～2 mm不等的导热衬垫，以消除接触间隙，减少接触热阻。其在30～40 %左右的压缩量下，接触热阻控制在1e-4～5e-4（ m2.K/W）左右。

4 热仿真

4.1 仿真条件

机架采用冷却液为65号防冻冷却液，环境温度考虑最高工作温度70 ℃，冷却液入口温度为40 ℃，工作压力1.2 MPa，耐压要求为1.8 MPa。为保证机架内模块流量匹配，对模块的流阻要求如下：

常温（20±5）℃流量为1 LPM（升/分钟）时，流阻范围1.5 bar±30 %。(包含液冷接头)，模块供液温度40 ℃，流量 0.3 L/min。

4.2 某典型信号模块热仿真

以某典型信号模块为例，其基本穿通液冷通道如图4所示。

仿真计算时，为了模拟实际状况，将该模块和其左右两个模块一起进行计算，并添加上下机架和前后面板，模块间距3 mm，如图5所示。

信号模块的各主要器件热物理参数如表1所示，信号模块主要包含载板和子卡，载板和子卡上的其他发热器件热物性参数在此不列出，热详细耗分布情况如图6所示，（总热耗为117 W）。信号处理模块一侧为数据模块，另一侧为主控模块。冷却液流量：0.3 L/min。

图1 模块外形尺寸

图2 模块组成

图3 冷却液循环路径图

图4 模块液冷通道示意图

载板：数量1张，热功耗为68 W，图6左所示；子卡：数量2张，单板热功耗为24.5 W，总功耗为49 W，如图6右所示。

为了得到断液15 min时的结果，将模块分为两个部分进行仿真：第一，在有液冷的条件下进行稳态仿真（使用65#防冻液进行冷却，流量：0.3 L/min，供液温度40 ℃）；第二，载板上的芯片3，芯片4关闭，其余器件工作正常，相邻的数据模块热耗变为20 W，主控模块热耗变为40 W。并保持环境温度等边界条件不变，冷却液停止流动，并以第一步的稳态仿真结果作为初始条件进行物理时长为15 min的瞬态仿真。

4.2.1 稳态仿真结果

稳态仿真结果如图7所示。通过仿真结果并计算可以看到，所有已知热物理参数的器件其计算结温都在许用值以内。

TJ（结温）=Tc（壳温）+Q（热耗）×θJc（结壳热阻）[3]