兩種針對惡劣環(huán)境的系統(tǒng)熱管理方法

設(shè)計人員在設(shè)計惡劣環(huán)境中工作的系統(tǒng)時面臨的一個重大挑戰(zhàn)就是管理微處理器和其它元器件產(chǎn)生的熱量。因為環(huán)境方面的因素，如灰塵和濕度，通常使得此類系統(tǒng)不能使用強迫空氣冷卻，因此多余的熱量必須通過對流或傳導冷卻方式散發(fā)出去。對工作于惡劣環(huán)境中的系統(tǒng)，熱負載管理的方法有許多種。最近，我們有機會研究了兩種不同類型的基本熱管理方法。第一種，也是較為傳統(tǒng)的方法，集中于使用低功耗器件。第二種方法中，由于應用需要，必須使用功耗相對大、產(chǎn)生熱量多的Pentium處理器。這里給出開發(fā)這兩種系統(tǒng)時需考慮的一些熱管理設(shè)計因素。


圖1 Thales Computers公司的VCE405通信控制器


圖 2  采用兩個專用銅冷卻層的多層PCB板原理圖


圖 3  到達外殼壁的熱傳輸途徑。請注意，利用楔形鎖緊機構(gòu)來保證完全接觸和有效的熱傳導

“低功耗”器件方法
在開發(fā)一種VMEbus通信控制器(VCE)時，采用的熱管理設(shè)計方法主要選擇使用低功耗器件。開發(fā)的VCE旨在提供一種基于PowerPC的板級模塊，集成有豐富的I/O、兩個PMC位置以及多種應用特性，并且在溫度、沖擊、振動、EMC和海撥高度等方面都滿足軍用標準要求。除了性能指標以外，對VCE的主要要求是低成本，而這成為開發(fā)熱管理策略的重要驅(qū)動。
控制成本的關(guān)鍵之一就是盡量減小功耗。利用低功耗器件可降低散熱要求，而結(jié)構(gòu)的簡化也可減少部件數(shù)量(與低成本目標相一致)，這又進一步降低了功耗。大功率器件產(chǎn)生的額外熱量會提高平均的電路板溫度，從而使板上所有器件的結(jié)溫升高，這還降低了器件的可靠性。多余的熱量還需要更多更大的散熱器，或者要求在電路板內(nèi)嵌入厚的銅散熱層才能保證良好的熱傳輸。盡量降低功耗不僅使成本得到控制，而且減少了余熱，使熱管理工作更為簡單。
為了同時滿足項目的成本和熱管理目標，在該VCE設(shè)計中選擇IBM公司的405 GP PowerPC芯片非常關(guān)鍵。與其它芯片相比，IBM405GP的功率(1.5W)小得多，同時還具有高時鐘頻率(266MHz)和高MIPS性能(Dhrystone 2.1)。被選做VMEbus接口芯片的ALMA2e功耗也僅為1.5W。
大多數(shù)VMEbus系統(tǒng)都需要散熱器來保證安全的工作溫度，但低功率處理器和接口芯片使得VCE的設(shè)計不需要散熱器。這不僅帶來成本優(yōu)勢，而且還使電路板更輕，從而改善其沖擊和振動性能。

熱性能測試
對該VCE(圖1)熱性能的評估包括兩項測試：四角測試和靜止空氣溫度上升測試。在四角測試中，測試了兩個變量的規(guī)格極限：高低溫和高低壓。測試了各種可能的組合以獲得有關(guān)性能極限的信號。盡管VCE通信控制板的規(guī)定使用溫度范圍為-40℃~+85℃(-40oF~+185oF)，但我們的四角測試覆蓋了-45℃~+90℃(-49oF~ +194oF)范圍，從而提供了5o的富余量。這一方法還有助于預測器件逐漸老化和退化時的熱性能。
靜止空氣溫度上升測試中利用熱電偶來監(jiān)控電路板上關(guān)鍵點的局部溫度，從而可幫助預測在缺少冷卻空氣的情況下(對于嵌入式應用這種情況是很常見的)系統(tǒng)的熱設(shè)計性能，這也有助于發(fā)現(xiàn)板上最重要的熱源所在。
在兩種測試中，VCE表現(xiàn)都很出色。在四角測試過程中沒有出現(xiàn)故障，在靜止空氣測試過程中所有器件都處于安全工作溫度范圍內(nèi)。VCE在正常工作時消耗的功率僅為7W，而且沒有哪個器件是突出的熱源。

惡劣環(huán)境下基于PC的系統(tǒng)熱管理
VMEbus的可靠性和可擴展能力使其對于惡劣環(huán)境應用非常有吸引力。然而，對于某些應用來說，還需要PC平臺的豐富軟件環(huán)境。在VMEbus規(guī)格的板卡內(nèi)提供基于Pentium的系統(tǒng)為設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn)--基于PC的元器件往往缺少滿足惡劣環(huán)境下工作所需要的型號。對于VCE來說，CPU芯片組的選擇就是一個需要認真考慮的問題。因此支持極高時鐘速度的最新芯片組僅有商業(yè)應用級的產(chǎn)品，設(shè)計人員如果希望采用針對擴展溫度范圍的集成芯片組，那么就不得不接受性能方面的折衷(即具有擴展溫度范圍集成芯片組的推出速度往往較慢，因此往往最新的芯片組沒有擴展溫度范圍的型號)。選擇集成芯片組還避免了使用非標準器件。本VCE系統(tǒng)設(shè)計中選用的CPU是采用440BX芯片組的工作于500MHz的Pentium處理器。
Pentium芯片組的大功耗使散熱比較困難，特別是惡劣環(huán)境下不可能采用風扇驅(qū)動的對流冷卻方法。傳導冷卻允許設(shè)備單元完全封閉，不受灰塵和濕氣的影響，因此最后決定傳導冷卻是適合該系統(tǒng)的最佳熱管理方法。
在這一系統(tǒng)中采用了混合傳導冷卻方法，同時通過印刷電路板本身以及通過頂部的散熱器將余熱傳導出去。許多傳導冷卻的電路板在制造時都采用大量厚銅芯做為散熱器，但這大大增加了制造成本。對于本項目，采用了一種更為經(jīng)濟的設(shè)計方法，即使用多層薄銅芯層(圖2)。薄冷卻層允許電路板制造商利用通常的方法來制造電路板，從而大大降低了制作成本。在高溫器件的底部采用了銅冷卻底盤來將熱量迅速傳導到冷卻層。
此外，還安裝了一個針對電路板器件布局而設(shè)計的頂部金屬板做為額外的散熱器。為最大化熱傳導效率，在器件和金屬板之間填充了一種熱傳導絕緣材料。采用楔形鎖緊裝置來保證完全接觸(圖3)，這樣電路板和金屬板被牢固地固定在外殼壁上，從而提供了一個向外部環(huán)境傳輸熱量的途徑。
對于此基于Pentium處理器的系統(tǒng)，利用熱電偶對關(guān)鍵點進行溫度監(jiān)控，對于其溫度極限進行了測試。這一混合熱管理方法使得最熱器件間和較冷的外殼之間的溫度差保持在7.7℃(45.9oF)或更小，遠遠好于設(shè)計規(guī)格要求。

結(jié)語
這兩種不同系統(tǒng)顯示出不同的熱管理方法：在VMEbus系統(tǒng)中，采用低功耗器件來最小化總的熱負荷，并避免了采用散熱器；在基于PC的系統(tǒng)中，器件選擇方面的限制導致設(shè)計中在最熱的器件至較涼的系統(tǒng)外殼壁之間采用了加強的熱傳導路徑。正如上面的兩個例子中所見到的，為保證系統(tǒng)的可靠性和實用性，應當通過嚴格的測試程序，在系統(tǒng)冷卻設(shè)計實際投入使用前，在預期的工作溫度范圍內(nèi)對其進行嚴格的測試和評估。 ■