3U-VPX 光通信电子设备热设计与仿真分析
2022-07-29陆宣博甘泉蒙志雄
[陆宣博 甘泉 蒙志雄]
1 引言
电子设备一般是由多种不同的控制接口和输入输出的电子器件组合而成,这些电子器件的可靠性直接关系到整个电子设备的性能,而热性能又是其中一项重要的可靠性指标[1][2]。近年来,标准化接口的3U-VPX 高密度集成板卡便于快速插拔和优异的互换性,受到越来越多的客户青睐和选择。但是,由于光通信电子设备通讯速率的速发展,推高了电子设备的功耗,高功耗带来的高温对电子设备的稳定性造成了较大的影响,3U-VPX 光通信电子设备的散热问题也越来越突出[3][4]。为了解决3U-VPX 光通信电子设备突出的散热问题,本文将研究设计一种光通信电子设备机箱(本文研究的设备除了进出风口,其余密封),通过建立等比例三维数字化虚拟模型,使用热仿真软件进行真实热环境模拟和热仿真迭代分析,给出详细可靠的设计要素和依据,为结构设计提供有力的数据支撑,从而解决散热问题。同时也给同类型电子设备遇到的散热问题,提供了一种有效的设计方法和解决方案[5]。
2 热设计
综合考虑减轻重量、良好的散热效果、电池兼容、备料时效性和机加工成熟度等因素,该电子设备选择使用防锈铝合金材料。该设备为5U 高度机箱,为了提升设备的装机容量,在同等宽度条件下尽可能多的插入板卡,采用了前插和后插两种结构形式;为了提升人机交互的友好性和考虑设备的整理维护性能,前面板底部设计为网状进风口,进风口容易有灰尘,配备可更换防尘网,方便后期更换维护;后面板顶部设计为网状出风口。如图1 所示。
图1 3U-VPX 光通信电子设备前插和后插正面透视图
根据设计要求,3U-VPX 板卡的设计热耗为25 W,整机共8 个板卡,总设计热耗约200 W,该板卡装配后如图 2 所示。热源主要集中在3U-VPX 板卡上的高功率芯片(如DSP、FPGA、三极管、电源管理芯片等);如图3所示,板卡上的热传导设计是:由于3U-VPX 板卡是相对密闭的,主要的散热方式是热传导,通过1 mm 厚的弹性导热垫填充芯片和凸台间的缝隙,尽可能地降低芯片和凸台间的接触热阻,芯片的热量通过弹性导热垫传递到凸台,凸台和壳体是一体成型的,热量快速传导到板卡壳体上,再通过板卡壳体上的散热齿把热量传导到周围空气,最终完成了芯片到周围空气的热交换。板卡壳体的散热齿和凸台如图2 和图4 所示。
图2 3UVPX 板卡装配透视图
图3 3UVPX 电路板芯片示意图
图4 板卡壳体上生长的导热凸台
根据电子设备可靠性热设计手册,自然冷却无法满足热设计要求(图8 所示为仿真结果),需要使用强迫风冷的方式进行散热[6]。该电子设备的风道设计如图5 所示,设备风道由两个风道组成,流体主要流经前插板卡和后插板卡,分别是风道1(虚线箭头)和风道2(实线箭头)。风道1 的路径如图5 所示虚线箭头组成,即从前面板网状进风口进风,经过机箱底部公共风道,依次进入板卡壳体上的散热齿,在进入风扇1 之前的风压是负压,负风压的优点是风流量能较均匀的流经风阻相当的板卡壳体上的散热齿,获得较充分的热交换,从而最大限度把芯片的热量传导到流体中;然后经过风扇1 后,形成了正风压,经过机箱顶部公共风道,排出后面板网状出风口。风道2 路径如图 5 所示实线箭头组成,风道2 设计参考风道1。根据流体垂直流向的特点,选取离心类型风扇,离心风扇有较强的静压和流速。
图5 风道设计示意图
3 热仿真分析
该设备的工作环境温度设定为50℃,板卡上的芯片温度不超过85℃。为了验证该电子设备的热传递路径和风道设计,使用热分析软件FLOTHERM 对该电子设备的三维数字化虚拟模型(如图1 所示)进行仿真分析。首先根据设计要求设置了工作环境参数(如表1 所示),在不影响仿真结果的前提下,对三维模型进行了必要的优化,降低模型复杂度,提升运算效率和收敛成功率,如删除倒角、螺纹孔、小圆孔等。相对于热传导和热对流,热辐射的量级较小,可以忽略不计,本次仿真暂不考虑。对印制板上的热耗超过1 W 的器件建立模型和设定对应的热耗和材料参数;对于小于1 W 热耗的器件不进行单独建模,并把热耗均匀分布到印制板上。开始进行热分析计算前,需要对三维模型进行网格划分,网格划分的参数设置和网格划分的结果分别如图6 和图7 所示。
表1 工作环境参数要求
图6 网格划分参数设置
图7 网格划分结果
4 仿真求解与结果分析
对比图8 和图9 的温度分布云图,分析可知,设备的最高温度出现在芯片上,相比于159℃(如图8 所示),经过3U-VPX 板卡壳体的热传导路径设计和整机的风道设计后,温度获得了大幅度下降,降为82.1℃(图9,图11),满足设计要求的不超过85℃,说明以上热设计措施达到了设计目标。
图8 初始温度分布云图
图9 热设计温度分布云图
为了直观地研究流体流速流量等重要参数、验证风道设计是否合理和选取合适的风扇,透明化了8 个板卡、左右侧板和顶部盖板,空气流体的流速和流量仿真结果如图10 和图11 所示。从图10 中可以清晰地观查到,空气流体从前面板进风孔分成两个风道,较均匀地流过每个板卡的散热齿,板卡散热齿均匀地获得了充分的热量交换,从而有效保证了芯片的散热。空气流体分别进入两路离心风扇,以正压的形式流出后面板通风孔,把热量带出设备外,最终完成了散热。从仿真结果可知,风道设计达到了设计要求,并得到如图12 所示风扇的单位时间流量V 和静压P,此参数为满足散热设计要求的最小值参数,可根据该参数选择合适的风扇工作点。经过换算,单位时间流量V=0.011 799 m3/s=25 CFM,静压P=179.2 Pa=18.28 mmaq。
图10 空气流体流速流量仿真云图
图11 流体流经芯片的最高温度云图
图12 风扇的单位时间流量和静压仿真参数
5 结束语
本文针对标准化接口的3U-VPX 高密度集成板卡的发展趋势,设计了一种符合热设计要求的光通信电子设备机箱(本文研究的设备除进出风口,其余均密封),结合3U-VPX 板卡较密闭的特性,进行了热传导设计和热对流设计;对比仿真结果,芯片最高温度由159℃下降到82.1℃,满足设计要求的85℃。另外,从仿真结果中得到风扇的单位时间流量V=25 CFM 和静压P=18.28 mmaq 参数,为在工程设计实施过程中选取合适的风扇提供了数据依据和有价值的指导。