文/赵益强,刘西佳,周志远,张栋,苏鹏·盈凡电气产品(青岛)有限公司
MicroTCA作为ATCA标准的一种补充,由于其可靠性能高,模块化及低成本等优势,使用范围非常广泛。但是,随着系统功能的增强、板卡密度的提高,以及最新处理器的使用,再加上PICMG MicroTCA.4标准的前卡每槽80W和后卡每槽30W的限制,该标准已经远远无法满足市场需求。为了满足市场不断增长的需求,提高单槽散热能力是必须进行的改进。
为了满足当下和今后的需求,我们将计划以单槽散热目标定为前卡每槽200W,后卡每槽50W,整机2000W来调整整机的散热系统。
对此,我们采用的技术方案,是将单槽散热目标定为前卡每槽为200W,后卡每槽为50W,从而把整机调整为2000W,来改进整个机箱的散热系统。
下面就以公司19英寸9U,84HP MicroTCA.4机箱产品,来进行模拟验证。图1为机箱视图,整机包含:用于12 个double mid-size AMC模块、2个MCH、4个电源模块。
图1 机箱视图
图2为机箱的散热路径,前部下侧进风,然后向上通过板卡,给板卡散热后再从后侧上部排出。
图2 散热路径
现有散热能力:
前卡风量24.3m3/h ,冷却能力(ΔT=12K)≈88 W
后卡风量12.1m3/h 冷却能力(ΔT=12K)≈44 W
目标散热能力设定:
前卡:1500W ,后卡:500W
图3为根据目标散热能力改进的机箱结构,并根据前后卡的散热功率设置的前后板卡功耗分布图。
根据前后板卡功耗分布图设计相关风扇配置方案:使用上下两组风扇盘,每个风扇盘配置6个120mm×120mm,12V轴流风扇,每个风扇盘最大功耗200W。
图3 前后板卡功耗分布
按照所需风量计算公式:
式中,V是风量m3/h,P是模块所需的功率,ΔT是模块允许的温升,我们通常用12度或15度,3.3为风量系数。
计算出200W板卡所需理论风量:
12度温升需要风量V=3.3×200/12=55m3/h
15度温升需要风量V=3.3×200/15=44m3/h
根据计算所得风量,选择合适的风扇参数后进行模拟,所得结果如图4所示。
图4 风扇参数模拟结果
根据分析结果,前卡部分板卡风量明显低于需求风量,而后卡风量都要大于需求风量。风量分布不平衡,导致模拟失败。
经过分析前面的模拟结果及机箱结构,通过将图5中导风板增大孔间距,以减少通风面积,将通风率由65%降低为45%,并再次模拟,结果如图6所示。
图5 导风板增大孔距后示意图
图6 增加导风装置后的模拟结果
图6为增加导风装置后的模拟结果。从分析结果可以看出,冷却功率高达200W是可以满足要求的。
根据仿真结果,对公司典型的9U 19英寸MTCA机箱改进设计生产图纸,重新组装装配,得到产品样机,如图7所示。
图7 生产成品
通电后,对比新旧两种机箱,发现新组装机箱的性能非常接近模拟结果,其散热能力远远大于原MTCA机箱.
本文主要是通过设计前后板卡功耗分布来改进现有MTCA机箱的空间布局,从而提高原机箱的散热需要,扩展了企业机箱板卡高密度以及高功耗处理器的使用,满足了客户个性化要求。另外,通过本文技术方案的模拟结果加工样机,既能避免材料的浪费,也能实现配电箱单一化和平台化的快速生产。