两种针对恶劣环境的系统热管理方法

设计人员在设计恶劣环境中工作的系统时面临的一个重大挑战就是管理微处理器和其它元器件产生的热量。因为环境方面的因素，如灰尘和湿度，通常使得此类系统不能使用强迫空气冷却，因此多余的热量必须通过对流或传导冷却方式散发出去。对工作于恶劣环境中的系统，热负载管理的方法有许多种。最近，我们有机会研究了两种不同类型的基本热管理方法。第一种，也是较为传统的方法，集中于使用低功耗器件。第二种方法中，由于应用需要，必须使用功耗相对大、产生热量多的Pentium处理器。这里给出开发这两种系统时需考虑的一些热管理设计因素。


图1 Thales Computers公司的VCE405通信控制器


图 2  采用两个专用铜冷却层的多层PCB板原理图


图 3  到达外壳壁的热传输途径。请注意，利用楔形锁紧机构来保证完全接触和有效的热传导

“低功耗”器件方法
在开发一种VMEbus通信控制器(VCE)时，采用的热管理设计方法主要选择使用低功耗器件。开发的VCE旨在提供一种基于PowerPC的板级模块，集成有丰富的I/O、两个PMC位置以及多种应用特性，并且在温度、冲击、振动、EMC和海拨高度等方面都满足军用标准要求。除了性能指标以外，对VCE的主要要求是低成本，而这成为开发热管理策略的重要驱动。
控制成本的关键之一就是尽量减小功耗。利用低功耗器件可降低散热要求，而结构的简化也可减少部件数量(与低成本目标相一致)，这又进一步降低了功耗。大功率器件产生的额外热量会提高平均的电路板温度，从而使板上所有器件的结温升高，这还降低了器件的可靠性。多余的热量还需要更多更大的散热器，或者要求在电路板内嵌入厚的铜散热层才能保证良好的热传输。尽量降低功耗不仅使成本得到控制，而且减少了余热，使热管理工作更为简单。
为了同时满足项目的成本和热管理目标，在该VCE设计中选择IBM公司的405 GP PowerPC芯片非常关键。与其它芯片相比，IBM405GP的功率(1.5W)小得多，同时还具有高时钟频率(266MHz)和高MIPS性能(Dhrystone 2.1)。被选做VMEbus接口芯片的ALMA2e功耗也仅为1.5W。
大多数VMEbus系统都需要散热器来保证安全的工作温度，但低功率处理器和接口芯片使得VCE的设计不需要散热器。这不仅带来成本优势，而且还使电路板更轻，从而改善其冲击和振动性能。

热性能测试
对该VCE(图1)热性能的评估包括两项测试：四角测试和静止空气温度上升测试。在四角测试中，测试了两个变量的规格极限：高低温和高低压。测试了各种可能的组合以获得有关性能极限的信号。尽管VCE通信控制板的规定使用温度范围为-40℃~+85℃(-40oF~+185oF)，但我们的四角测试覆盖了-45℃~+90℃(-49oF~ +194oF)范围，从而提供了5o的富余量。这一方法还有助于预测器件逐渐老化和退化时的热性能。
静止空气温度上升测试中利用热电偶来监控电路板上关键点的局部温度，从而可帮助预测在缺少冷却空气的情况下(对于嵌入式应用这种情况是很常见的)系统的热设计性能，这也有助于发现板上最重要的热源所在。
在两种测试中，VCE表现都很出色。在四角测试过程中没有出现故障，在静止空气测试过程中所有器件都处于安全工作温度范围内。VCE在正常工作时消耗的功率仅为7W，而且没有哪个器件是突出的热源。

恶劣环境下基于PC的系统热管理
VMEbus的可靠性和可扩展能力使其对于恶劣环境应用非常有吸引力。然而，对于某些应用来说，还需要PC平台的丰富软件环境。在VMEbus规格的板卡内提供基于Pentium的系统为设计人员带来挑战--基于PC的元器件往往缺少满足恶劣环境下工作所需要的型号。对于VCE来说，CPU芯片组的选择就是一个需要认真考虑的问题。因此支持极高时钟速度的最新芯片组仅有商业应用级的产品，设计人员如果希望采用针对扩展温度范围的集成芯片组，那么就不得不接受性能方面的折衷(即具有扩展温度范围集成芯片组的推出速度往往较慢，因此往往最新的芯片组没有扩展温度范围的型号)。选择集成芯片组还避免了使用非标准器件。本VCE系统设计中选用的CPU是采用440BX芯片组的工作于500MHz的Pentium处理器。
Pentium芯片组的大功耗使散热比较困难，特别是恶劣环境下不可能采用风扇驱动的对流冷却方法。传导冷却允许设备单元完全封闭，不受灰尘和湿气的影响，因此最后决定传导冷却是适合该系统的最佳热管理方法。
在这一系统中采用了混合传导冷却方法，同时通过印刷电路板本身以及通过顶部的散热器将余热传导出去。许多传导冷却的电路板在制造时都采用大量厚铜芯做为散热器，但这大大增加了制造成本。对于本项目，采用了一种更为经济的设计方法，即使用多层薄铜芯层(图2)。薄冷却层允许电路板制造商利用通常的方法来制造电路板，从而大大降低了制作成本。在高温器件的底部采用了铜冷却底盘来将热量迅速传导到冷却层。
此外，还安装了一个针对电路板器件布局而设计的顶部金属板做为额外的散热器。为最大化热传导效率，在器件和金属板之间填充了一种热传导绝缘材料。采用楔形锁紧装置来保证完全接触(图3)，这样电路板和金属板被牢固地固定在外壳壁上，从而提供了一个向外部环境传输热量的途径。
对于此基于Pentium处理器的系统，利用热电偶对关键点进行温度监控，对于其温度极限进行了测试。这一混合热管理方法使得最热器件间和较冷的外壳之间的温度差保持在7.7℃(45.9oF)或更小，远远好于设计规格要求。

结语
这两种不同系统显示出不同的热管理方法：在VMEbus系统中，采用低功耗器件来最小化总的热负荷，并避免了采用散热器；在基于PC的系统中，器件选择方面的限制导致设计中在最热的器件至较凉的系统外壳壁之间采用了加强的热传导路径。正如上面的两个例子中所见到的，为保证系统的可靠性和实用性，应当通过严格的测试程序，在系统冷却设计实际投入使用前，在预期的工作温度范围内对其进行严格的测试和评估。