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PXI/PXI Express系统散热设计的秘诀
作者:凌华科技量测与自动化产品事业处 吴嘉和
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前言

PXI/PXIe系统是追求稳定度与严苛环境的量测与自动化测试系统的最佳平台。系统散热的设计,对于系统的稳定度扮演重要的角色,包含风流与流场的规划,该如何避免气流通道吸入不必要的热源?如何将散热孔在安规的限制下取得极大化的平衡;如何配置风扇,以取得风扇最佳性能?以及如何规划电源供应模块的空间配置,以提供独立的流场?以上种种,都会是影响PXI/PXIe系统散热的要素。本文将带您一窥系统散热设计的秘诀,以挑选最适合的PXI/PXIe系统。

PXI/PXIe系统设计的限制

PXI/PXIe机箱的设计首要考虑PXI/PXIe模块配置的方向。模块插卡的方向会直接影响风流的走向。一般市场上最常见的是以4U高的PXI/PXIe机箱,搭载3UPXI/PXIe模块卡片,卡片大多是直立式插放配置于4UPXI/PXIe机箱中。在如此有限的空间下,散热的设计,以保持系统的稳定度,是系统设计者的一大挑战。

风扇配置的考虑

一般说来,PXI/PXIe机箱风扇配置的位置有两种,分别为"下方式"或"后方式"。传统风扇大多配置于机箱的下方,然而配置于机箱的下方,容易造成风流分布的不均匀,影响系统整体的散热质量。例如两组风扇中间的插槽的温度,就可能因为风流不平均的缘故,温度因而高于其他插槽(见图一)。如此一来将不利于系统的规划与配置。因而将风扇配置于后机箱后方的新型设计应运而生,风扇配置于机箱后方的设计,可带来平均的风流,改善温度不均匀的问题。(见图二)

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图一:将风扇配置于机箱下方,两风扇间的风流因为受到阻隔,无法提供平均的风流

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图二:将风扇配置于机箱后方,可增加风速,并提供平均的风流

然而,将风扇配置于机箱后方,仍然有不同的作法考虑。其一为风流"由后往前吸入式",因为风扇可直接吸入空气的缘故,风速可较高,但风流的控制较为不易,再加上根据PXI规范所定义,风流必须由下而上通过PXI模块,如此一来,散热的规划势必得透过机箱上方的开孔才得以实现,这对于严苛环境要求较高的环境,是比较不利的设计(见图三)。相反的,假设风流为"由前往后吸入式",虽然风扇距离吸入的空气距离较远,风速较低,但风流的表现可以比较稳定且易于控制。

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图三:风流"由后往前吸入式",散热出孔必须通过系统上方

流道的规划

此外,风扇的配置也需考虑流道的设计,如何避开客户使用时可能遭遇到的热源,将冷空气顺利的导出,是设计机箱时极为重要的考虑点。以PXI/PXIe机箱的使用环境来说,大多的客户会使用混合式的测试系统,将PXI/PXIe系统安装于机柜中。如此一来,热源的考虑将不单只是该PXI/PXIe系统本身,而包含完整的混合式测试系统。就以刚刚提到的第一种,由后往前吸入式的风扇配置的机箱,会将空气吸入机箱本体,再导向机箱前方排出,然而因为机柜后方带入的空气,易混杂其他混和系统所产生的热空气,也会把PXI/PXIe机箱背板所产生的热,一并带入置于前方的PXI/PXIe模块中,反而不利整体系统的散热。而第二款新型PXI/PXIe机箱的设计,则改采用后方风扇由前往后吸入式的设计,将前方"干净"的冷空气,通过PXI模块,引导至机箱后方排出,以避免上述的情况发生。(见图四)

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图四:由前往后吸入式的机箱设计,可提供较干净的流道,避免带入不必要的热源

优化开孔的设计

为了引导风流散热优化,机箱开孔的规划与设计也有其重要性。如何在安规限制与机构的极限下,取得平衡,也考验设计机箱的功力。新型PXI机箱不仅在前后对应的位置开孔加强散热外,包含两侧、前面板,均做了极大化的开孔设计。首先受到PXI规范的限制,风流必须是由下往上散热,所以能够开孔的位置仅能在机箱的下方,就高度而言,考虑到PXI模块的高度限制,开孔的上缘不得超过PXI模块的下缘位置,在如此有限的空间下,新款PXI/PXIe机箱在不仅仅在前方下缘做了很多微小的开孔进风,在机箱的两侧下缘,也利用可能的空间,极大化了开孔设计。(见图五)

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图五:机箱前下方与两侧下缘,均提供进风点

风扇性能与背压的平衡

受到机箱先天空间环境的限制下,必须找出风扇背压与风扇流量的优化配置。最理想的状况是拥有平滑的曲线距离以及较长的距离,让风扇的表现可以达到PQ曲线优化。然而受到PXI/PXIe机箱空间限制的缘故,必须在不断的计算与调整中,取得机箱背板的最佳斜率,以表现风扇最佳性能。

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电源模块配置的考虑

电源模块的选择与配置也是一门学问。在过去的系统设计中,很容易就忽略掉电源供应模块本身产生的热源,也会影响PXI/PXIe机箱的性能。在传统设计中,没有将电源供应模块与机箱本身的热流隔开,电源供应模块强制排气的功能,会造成机箱的流场混乱。因而新款机箱必须能阻隔电源供应模块以及风扇本身的热流,甚至为电源供应模块设计独立的开孔,以提供独立的风流。这些都是为了改善此现象所做的设计。(见图六)

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图六:梯形部位显示该电源供应模块拥有独立的流场,同时左右也提供独立的开孔散热

智能型监控与自动调节

为了确保系统运作时的稳定性,智能型监控系统的设计,可以提供保护与系统调节的功能。PXI/PXIe机箱可透过传感器的配置,例如在背板上方配置五组的传感器,以监控机箱内温度的变化,透过程序的设定,在温度高时,加快风扇的转速,可有效确保系统运作的稳定性,并达到节能的效果。

PXI/PXIe移动运算方案

为满足PXI/PXIe量测系统移动运算的需求,可安装便携型的屏幕键盘套件,对客户来说,是很方便的设计。客户可使用外接式的屏幕键盘套件,将机柜型PXI/PXIe系统,转化成便携型PXI/PXIe系统。这时如果PXI/PXIe机箱的散热配置不当,一旦加上屏幕键盘套件,可能会影响原有的散热。正如先前提到,一旦新款风扇采用"由前往后吸入"的设计,在搭配便携型套件时,将不会阻绝原有的散热设计。并且,键盘底部可附上11mm垫片,使得电源供应模块的独立的散热设计可持续作用,大幅提升PXI/PXIe系统的便利性,而无需担忧系统的稳定。(见图七)

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图七:便携型屏幕键盘套件增加行动运算的便利性

总结

PXI/PXIe机箱的设计并非单一考虑机箱本身的设计,必须和其他量测系统所使用环境一并搭配考虑,包含风扇的配置、风流的规划、电源的选购,模块优化性能的提升等。凌华科技为PXI系统联盟的协会董事会及最高等级会员,也是亚洲唯一的PXI产品的专业制造商。多年来相继开发超过100个以上PXI产品,以满足各类高端PXI及PXIExpress测试平台需求。其中最新上市的PXES-2590,为业界首款全混合式插槽的PXIe机箱,针对高性能高带宽的PXI/PXIe模块所设计。PXIS-2719A为19槽3U智能型PXI机箱,特别适合需要高容量PXI的量测与测试相关应用。它们均采用最新PXI/PXIe机箱设计,为高稳定高性能的系统首选。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (7/7/2012)
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