散热设计基础
CompactPCI PSB刀片实际的最大功率限制为50W。附带的PCI夹层卡(PMC)是CompactPCI PSB刀片最普遍的选择,其最大功率限制为7.5W(处理器PMC的功率限制大约为20W)。当附带功率从20W(1/2高单宽最小模块)到60W(全高双宽最大模块)的先进夹层卡(AMC)模组时,ATCA刀片的最大功率限制为200W。
在CompactPCI PSB或ATCA机箱中,刀片一律垂直安放,鼓风机将风由下至上吹过插板。当风经过同一插板的不同器件、以及机箱中的每个插板时,垂直带走了热量。像PCI、AMC等高密度夹层卡,会产生局部热点并阻碍气流。ATCA刀片尤其麻烦,因为其尺寸较大(8U)且能携带多达8个AMC模块。Compact PCI PSB刀片尺寸为6U,最多只携带两个处理器PCI模块。
由于受到局部热点以及整个散热过程中的预热以及气流阻碍影响,电路板设计者必须考虑除板上器件集中散热以外的更多问题。他们必须考虑整块电路板关键路径上的热产生及气流阻抗。此外,他们还要准备给电信设备制造商提供刀片级仿真数据,以便制造商在仿真时利用这些数据对机箱及机架级散热性能进行优化。
PICMG 3.0热规范为ATCA刀片的热分析提供了一个框架,同样的原则也可以用来制定CompactPCI PSB刀片的冷却策略。
热分析首先从计算各种气流通路和气流速度的功耗及阻抗开始。接着,设计者再决定将风扇或鼓风机集合提供的哪部分气流分配给各气流通路。了解每条通路的体积流量以及穿过这条通路的功耗,设计者就可以计算出沿该通路的温度上升。如果通过给定通路的温度上升超过限制,设计者就要进行一系列调整,包括提高鼓风机容量、减少最高功耗通路上的功耗、以及减小最大阻抗通路上的气流阻抗等。
良好的热设计在科学与艺术方面同等重要。它是一个循环过程,需要根据现实环境反馈进行不断调整。同时,它也受到现实环境的约束,诸如需要一个带有适当信号质量的可路由设计。所以在整个过程中,设计者需要利用热成像经验以及由风速计与热电偶采集的气流变化数据,来检验最初的设计参数是否得到实现。
在设计Katana 3752(带有三个PowerPC处理器的PICMG 2.16刀片)时,对各种布局选项进行了仿真。首先,设计者沿电路板一侧放置了三个处理器(与气流平行),而板子另一侧的存储器件也与气流保持平行。这样做的目的是自板中央向下形成一个低风阻气流通道,以造成处理器与存储器件处的空气回流。这种布局,连同空气在处理器间流动产生的预热,导致位于板顶部的处理器发热。虽然利用较大的散热片来限制流向板中央的气流可以使穿过电路板的气流更加均匀,从而减少处理器的结点温度,但如果想达到可接受的温度,所用的散热片面积往往过于庞大。
最终,设计者选择这样一种布局:将装有适度散热片的三个处理器在电路板顶部一字排开,与气流保持垂直。这样做不仅增强了气流,而且气流平行穿过处理器,减少了预热。结果得到一种拥有良好信号质量的可路由设计,能够显著减少CPU与存储器工作温度。
系统级热管理还要求一个分布式的监控架构,可以使机架管理器连续访问电压、温度、风扇转速等关键的刀片级参数。CompactPCI PSB 与ATCA都能提供一种名为智能外围管理接口(IPMI)的架构。利用板上基于I2C的智能外围管理总线,IPMI使每一个刀片都能与机架管理通信,并提供板上传感器采集的数据。
有效功率协商
监控刀片级电压与温度的能力,为机架管理提供了确保每项刀片功能正常发挥的手段。但机架管理还需要处理系统级功率、冷却及噪音等预算。
一种使ATCA便于进行系统级功率、冷却及噪音管理的方式是支持可协商的功率管理,它可以在加电前使机架管理器与每个刀片就功率分配进行协商,加电后再就所分配的功率进行协商。
集成IPMI管理及可协商功率管理使机架管理器能掌握并控制刀片的工作状况,以便于对系统功率分配与冷却进行优化。
作者:Robert J. Bourne
全球技术销售经理
Artesyn通信产品公司
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