國庫局冷卻用于軍事應(yīng)用的高功率COTS模塊

開放式標(biāo)準(zhǔn)氣流通孔 （AFT） 冷卻技術(shù)是國防和航空航天應(yīng)用堅(jiān)固耐用的 COTS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可用選項(xiàng)的一個(gè)受歡迎的補(bǔ)充。諾斯羅普·格魯曼公司的 AFT 技術(shù)采用 ANSI/VITA 48.5-2010 標(biāo)準(zhǔn)，為冷卻 C4ISR 應(yīng)用中使用的高性能 VPX 板提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法。

要成功滿足高功率、高密度 COTS 系統(tǒng)的熱管理要求，需要采用全方位的冷卻方法，從空氣和傳導(dǎo)冷卻到通過冷卻技術(shù)的噴霧和液體流動(dòng)，以及實(shí)施這些方法所需的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)。

如今，許多 VPX 系統(tǒng)的功率密度排除了使用標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)冷卻卡的可能性。當(dāng)卡達(dá)到高達(dá) 170 W 的密度時(shí)，它們超出了傳導(dǎo)冷卻卡可以處理的單插槽能力，特別是當(dāng)這些高功率卡中的幾個(gè)用于系統(tǒng)中的相鄰插槽時(shí)（取決于組件和環(huán)境限制）。諾斯羅普·格魯曼公司的VPX卡的氣流通行（AFT）冷卻技術(shù)在ANSI/VITA 48.5-2010標(biāo)準(zhǔn)中定義，為國防和航空航天集成商提供了一種額外的武器，用于對抗高功率密度卡和系統(tǒng)中的過熱。AFT成為當(dāng)今高性能模塊的“最佳點(diǎn)”，可在+55°C空氣范圍內(nèi)可靠地冷卻120至200 W卡?？紤]傳導(dǎo)冷卻、空氣冷卻、噴霧冷卻和 LFT 等替代方法有助于突出 AFT 的優(yōu)勢。

目標(biāo)：冷卻到組件附近

傳導(dǎo)冷卻

標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)冷卻卡難以處理 170 W 卡上的溫升。增加挑戰(zhàn)的是額外的熱阻，即將熱量傳遞到外殼，然后拒絕周圍的空氣以及相鄰卡的功率耗散。無論使用哪種介質(zhì)來阻擋熱量，該解決方案對于典型的+55°C環(huán)境都是不切實(shí)際的。這意味著熟悉的冷卻方法——例如外部強(qiáng)制對流（將空氣吹過機(jī)箱表面的外部以從系統(tǒng)吸收熱量）和底板冷卻（熱量傳導(dǎo)到安裝表面并排斥到安裝板中）是不夠的。

典型的傳導(dǎo)冷卻卡具有太大的熱阻，無法冷卻當(dāng)今性能最高的模塊。在某些情況下，熱管或銅嵌件已被用于處理對于典型的鋁傳導(dǎo)散熱器來說太高的功率密度，以將熱量傳遞到卡邊緣。熱管的熱傳遞能力可以為解決上述問題提供顯著的好處。不幸的是，當(dāng)考慮到系統(tǒng)的總功率、溫度范圍和熱管的姿態(tài)依賴性時(shí)，該解決方案可能成為一個(gè)重要的成本驅(qū)動(dòng)因素，并且仍然不能有效地處理外殼中的大功率密度。

空氣冷卻

更好的解決方案需要從發(fā)熱組件到冷卻介質(zhì)的更短的熱路徑。這意味著冷卻介質(zhì)必須盡可能靠近組件。最簡單，最可靠，最經(jīng)濟(jì)的方法是簡單地將空氣吹過卡。這將冷卻介質(zhì)（空氣）直接帶到組件上，從而消除了大量的傳導(dǎo)電阻。但是，環(huán)境空氣可能會(huì)被灰塵，濕度，鹽霧等污染，例如，這會(huì)引起電子設(shè)備電氣短路等問題。因此，需要一個(gè)密封的外殼來防止環(huán)境空氣與卡接觸。這消除了環(huán)境風(fēng)冷卡和機(jī)箱在許多惡劣環(huán)境中的可行性。

從理論上講，如果風(fēng)冷卡位于密封的機(jī)箱中，該機(jī)箱具有內(nèi)部風(fēng)扇以將熱量從卡中拉出，內(nèi)部高密度翅片將熱量從內(nèi)部空氣中拉出并將其推入機(jī)箱外部，并且具有外部高密度翅片以將熱量推入外部環(huán)境空氣中，則可以使用風(fēng)冷卡。不幸的是，這種方法會(huì)使風(fēng)扇數(shù)量增加一倍，風(fēng)扇功率增加一倍，不幸的是，仍然可能無法提供足夠低的熱阻。（空對空熱交換器效率非常低。

噴霧冷卻和液體流過 （LFT）

將冷卻介質(zhì)靠近組件的其他選項(xiàng)包括噴霧冷卻或液體流過（LFT）熱框架。噴霧冷卻可以通過將冷卻介質(zhì)直接噴在卡上來消除卡中的熱量，但它涉及對卡的不平凡的修改，卡上冷卻劑的腐蝕/侵蝕問題，以及與噴嘴，泵，蓄能器，閥門，冷卻劑，液對空熱交換器等相關(guān)的復(fù)雜性。該解決方案需要更高頻率的維護(hù)，但存在一些真正的可靠性問題，并且使得在SWaP受限的環(huán)境中滿足重量要求變得更加困難。

使用LFT熱框架，液體通過安裝在電路卡上的金屬框架。液體去除了高功率組件中的熱量并減輕了侵蝕問題 - 流體從不接觸組件 - 但它的制造成本很高，并且在閥門，泵，氣囊等中具有相當(dāng)大的復(fù)雜性。與噴霧冷卻一樣，由于所需的底盤，冷卻液，軟管，閥門和液對空熱交換器，因此存在重量問題。LFT具有一些非常有吸引力的品質(zhì)，因?yàn)槔鋮s介質(zhì)正好在組件上但不接觸，但是重量和復(fù)雜性的影響限制了它的使用。

船尾冷卻

這就引出了下一種方法，即利用空氣取代LFT的冷卻液。這提供了相同的好處，即冷卻介質(zhì)非?？拷M件而不直接接觸。這也使使用液體的設(shè)計(jì)的重量和復(fù)雜性顯著降低。而且空氣很便宜。諾斯羅普·格魯曼公司的AFT冷卻技術(shù)是一種經(jīng)過驗(yàn)證的AFT方法，它將強(qiáng)制空氣冷卻的簡單性和LFT提供的冷卻介質(zhì)的熱阻的極大降低相結(jié)合，這是ANSI/VITA 48.5-2010中定義的開放標(biāo)準(zhǔn)。使用AFT，空氣通過加熱框架，防止環(huán)境空氣接觸電子設(shè)備，但顯著降低到冷卻空氣的熱路徑。

鑒于AFT在設(shè)計(jì)簡單、重量效率和低熱阻方面的優(yōu)勢，Curtiss-Wright正在利用這種方法作為其最高功率密度系統(tǒng)的首選解決方案。這些 AFT 模塊可在 -40 °C 至 +55 °C 的入口環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。 這些模塊封閉在帶有入口和出口空氣開口的熱框架中。AFT散熱器在較大的表面積上為系統(tǒng)模塊提供最大的冷卻。在卡的入口側(cè)和排氣側(cè)，安裝在機(jī)箱內(nèi)部的墊圈將卡的內(nèi)部空氣通道密封到機(jī)箱側(cè)壁。這些密封件可防止空氣吹入機(jī)箱，并保護(hù)內(nèi)部電子設(shè)備免受惡劣外部環(huán)境的影響。表1給出了上述冷卻方法的比較。

表 1：討論的冷卻方法的并排比較。

熱分析

作為AFT冷卻優(yōu)勢的一個(gè)例子，我們對各種情況進(jìn)行了詳細(xì)的熱分析（結(jié)果可根據(jù)要求提供）。典型的VPX SBC熱分析結(jié)果表明，當(dāng)輸入空氣為+55°C時(shí)，系統(tǒng)可以充分冷卻，并留有余量。AFT的好處之一是冷卻空氣非常接近大功率組件;這不僅適用于基卡上的組件，也適用于 XMC 卡上的組件。通過 XMC 上的高功率組件提供冷卻環(huán)境空氣的短路路徑，即使是 XMC 卡也能實(shí)現(xiàn)最高性能。每個(gè)高功率組件都通過導(dǎo)電的柔性間隙焊盤連接到AFT熱框架。

隔離熱路徑

AFT的另一個(gè)非常有價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)是隔離系統(tǒng)中每個(gè)卡的熱路徑。使用AFT，卡不會(huì)共享冷卻空氣或它們將熱量傳導(dǎo)到的熱接口。每個(gè) AFT 卡都有自己的 +55 °C 空氣入口和自己的排氣口。除冷卻空氣外，沒有其他冷卻路徑。從熱的角度來看，這使得每個(gè)卡都可以單獨(dú)查看。通過確保系統(tǒng)中所有卡的氣流平衡，每個(gè)卡都能接收到將組件保持在適當(dāng)溫度所需的冷卻空氣量。為了突出該方法的功能，假設(shè)高功率基卡和子卡的組合，進(jìn)行了熱分析。結(jié)果如下所示：

熱結(jié)果：帶有兩個(gè) XMC 熱結(jié)果的 SBC

此通用卡假定具有以下熱負(fù)荷： SBC： 90 W XMC： 40 W

總功率 = 170 W（單個(gè)插槽）

熱分析摘要

熱分析與先前開發(fā)的系統(tǒng)的性能和發(fā)現(xiàn)一致，這些系統(tǒng)使用AFT作為其冷卻解決方案。如果假設(shè)病例溫度可能為+100°C或更高，則整體分析顯示大量裕量。由于Curtiss-Wright非常頻繁地執(zhí)行這些分析，因此可以理解的是，實(shí)際應(yīng)用的功率密度問題可能比這里描述的更嚴(yán)重，因?yàn)樵谠S多情況下，高功率元件是“倒裝芯片”設(shè)計(jì)，芯片安裝在BGA基板的頂部。當(dāng)芯片產(chǎn)生所有熱量時(shí)，高功率耗散的面積小于本分析中分配的面積。

可以采用多種技術(shù)來應(yīng)對這些高性能組件的高功率密度挑戰(zhàn) - 包括更高性能/更薄的間隙墊，使用銅散熱器以及使用可調(diào)高度的銅散熱器以最小化間隙墊厚度。鑒于這種理解和上述分析的結(jié)果，AFT是冷卻“最佳點(diǎn)”120至200 W高功率和高性能SBC和DSP模塊的絕佳解決方案。

審核編輯：郭婷