電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)方法

PAGEPAGE３電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)方法AngineMinichiello,P.E猶他州大學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室Email：angela.minichiello@ChrisianBelady,P.E.HP公司、高性能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室Email:belady@摘要這篇論文提出了用于設(shè)計(jì)多處理器企業(yè)服務(wù)器RP8400的熱設(shè)計(jì)方法。這一方法包含了眾所周知的分析和實(shí)驗(yàn)熱設(shè)計(jì)工具，包括熱交換相關(guān)性，流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型（FNM）和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這一方法的優(yōu)勢(shì)在于它強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品每一個(gè)設(shè)計(jì)周期使用最適合的設(shè)計(jì)工具。因此，在設(shè)計(jì)的最初階段設(shè)計(jì)概念靈活多變，新的構(gòu)思閃現(xiàn)。分析時(shí)間是相當(dāng)重要的，所以在可接受的程度之內(nèi)犧牲精度和細(xì)節(jié)可以大為的減少分析時(shí)間。具有更高精確度的詳細(xì)分析是在開(kāi)發(fā)周期最后階段設(shè)計(jì)方案已經(jīng)確定，無(wú)太多改變以及以最優(yōu)化為目標(biāo)時(shí)所采用的方法。應(yīng)用這一方法在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期內(nèi)熱風(fēng)險(xiǎn)被系統(tǒng)性的減少了。論文在開(kāi)頭是概述這一熱設(shè)計(jì)方法，對(duì)直接應(yīng)用這一方法的企業(yè)服務(wù)器RP8400進(jìn)行討論，數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果被呈現(xiàn)和比較，之后又討論了如何在今后的產(chǎn)品中提高散熱設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：FNMCFD熱設(shè)計(jì)電子散熱系統(tǒng)分析術(shù)語(yǔ)表CEC復(fù)合核心電子芯片cfm立方英尺每分鐘CPU中央處理單元DIMM雙通道記憶模塊EMI電磁兼容HS散熱器IO輸入輸出或IO芯片GB十億字節(jié)lfm英尺每分鐘MEMCON內(nèi)存控制器芯片PCB印刷電路板PDH處理器的相依硬件Q體積流量Spec規(guī)格限制VRM電壓調(diào)節(jié)模塊XBAR橫欄芯片希臘符號(hào)ΔT溫差oCΘ熱阻oC/W下標(biāo)a室溫bench實(shí)驗(yàn)室測(cè)量ch外殼至散熱器ha散熱器到室內(nèi)環(huán)境j結(jié)點(diǎn)jc結(jié)點(diǎn)到外殼max最大值sys系統(tǒng)介紹系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的最終目的不是預(yù)測(cè)元器件的溫度而是減少產(chǎn)品與熱有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。如今存在于封裝電源的電子設(shè)備的熱風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)比較由于預(yù)料之外的熱或可靠性問(wèn)題所引起的不能滿足項(xiàng)目計(jì)劃的設(shè)計(jì)來(lái)得到證實(shí)。因此熱設(shè)計(jì)是工程師盡可能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期對(duì)熱和空氣流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而揭示潛在的危險(xiǎn)區(qū)域和完善可靠性方案的一系列過(guò)程方法。最終努力的目標(biāo)是提供優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)滿足或超過(guò)項(xiàng)目計(jì)劃和元器件要求。如今許多工具都可以用來(lái)幫助熱設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。諸如熱交換關(guān)聯(lián)，流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)。最有效和全面的熱設(shè)計(jì)不是必須選擇最“好”的工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是優(yōu)化整和可以使用的工具和方法。這篇論文描述了用于RP8400企業(yè)服務(wù)器熱設(shè)計(jì)的一整套方法。這個(gè)企業(yè)服務(wù)器最大單位面積的熱流達(dá)到了800W/ft2。為了滿足它嚴(yán)格的項(xiàng)目計(jì)劃，RP8400企業(yè)服務(wù)器要求進(jìn)行仔細(xì)的熱分析。依據(jù)這里所提供的方法，在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期內(nèi)，熱設(shè)計(jì)工程師可以在當(dāng)要求不改變?cè)骷岱桨福諝饬鲃?dòng)或布局的情況下來(lái)系統(tǒng)的減少熱風(fēng)險(xiǎn)從而滿足項(xiàng)目的計(jì)劃.方法總結(jié)Biber&Belady第一個(gè)提出了正如這篇論文中所討論后來(lái)形成稱之為“強(qiáng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期”的熱設(shè)計(jì)方法。按照這一方法，研發(fā)周期由概念產(chǎn)生、詳細(xì)設(shè)計(jì)和硬件測(cè)試三個(gè)不同階段所組成。如圖1所示，在每一個(gè)階段中最適用和最有利的熱設(shè)計(jì)方法得到使用。因此，這個(gè)熱設(shè)計(jì)方法提倡一個(gè)分析使用工具“變化”的過(guò)程，對(duì)比第一階段和后續(xù)的階段分析，當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)入到下一個(gè)階段新的分析方法或工具被采用。概念產(chǎn)生階段:這個(gè)概念發(fā)展階段是產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的最初階段。在這個(gè)階段初期，產(chǎn)品概念是處于初始狀態(tài)。這一階段的顯著特征就是因?yàn)閬?lái)自各學(xué)科開(kāi)會(huì)討論要求和發(fā)展的新想法促使頻繁的更替產(chǎn)品布局和要求。這里熱設(shè)計(jì)工程師的目的是不厭其煩快速的分析方案和隨時(shí)為提供設(shè)計(jì)改進(jìn)的建議。這一階段最終決定產(chǎn)品的布局滿足或高于要求，在這一階段結(jié)束時(shí)熱設(shè)計(jì)工程師應(yīng)獲得：1完整的一個(gè)能夠經(jīng)受住每一個(gè)單元功率耗散的機(jī)械設(shè)計(jì)。2完整的空氣流動(dòng)方案（即大小，位置，和朝向）。3確定重要元件散熱器的大小和位置及空氣流量。4估計(jì)空氣通過(guò)整個(gè)產(chǎn)品的溫升。5確定熱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并提出必要的設(shè)計(jì)要求去減輕這種熱風(fēng)險(xiǎn)。概念產(chǎn)生階段熱工具或方法：基于他們使用的難易程度，求解時(shí)間快慢和要求，輸入數(shù)據(jù)的限制（通常只有幾何和流體數(shù)據(jù)）通常在這個(gè)階段所使用的方法是廣義的準(zhǔn)則傳熱與流體流動(dòng)，空白表格程序（諸如散熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化）以及流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型（FNM）技術(shù)，F(xiàn)NM的詳細(xì)內(nèi)容可以參考[3],[4],[5]。FNM技術(shù)是容易掌握的，當(dāng)然在系統(tǒng)內(nèi)部豐富的2維流動(dòng)路徑信息是必須清楚或估計(jì)的。FNM不能解決先進(jìn)的3維流動(dòng)或者當(dāng)模型存在額外要求問(wèn)題。盡管有可能的話子系統(tǒng)的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)得到使用，但子系統(tǒng)流動(dòng)阻力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是必需的。最少空氣流動(dòng)數(shù)據(jù)是必需的。以軟件為基礎(chǔ)的求解，運(yùn)行時(shí)間特別的短。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段:一旦一個(gè)特定的設(shè)計(jì)被采用，開(kāi)始細(xì)致的進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)工作，熱設(shè)計(jì)工程師必須關(guān)注確定產(chǎn)品內(nèi)部熱風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。這里熱分析變的更為詳細(xì)（伴隨大量時(shí)間耗費(fèi)）而結(jié)果將變的更為精確。實(shí)驗(yàn)測(cè)量和系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域?qū)嶓w模型結(jié)構(gòu)，可能要求輸入到模型之中或者去獲取不易建模的產(chǎn)品關(guān)注區(qū)域的信息。熱設(shè)計(jì)的最終目的是更深入的研究關(guān)鍵區(qū)域以提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)獲得更方便的優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)滿足或高于項(xiàng)目的計(jì)劃要求。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的熱工具或方法。對(duì)于在電子行業(yè)詳細(xì)熱設(shè)計(jì)的方法通常是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和有限元分析求解。通常情況下要求更為長(zhǎng)的求解時(shí)間和更為詳細(xì)的輸入數(shù)據(jù)。三維模型或現(xiàn)有的三維CAD簡(jiǎn)單模型有可能也是需要的。對(duì)于要產(chǎn)生精確的結(jié)果用戶的經(jīng)驗(yàn)是必須的，此外根據(jù)系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜程序如[6]和[7]中所描述的經(jīng)驗(yàn)性子系統(tǒng)流動(dòng)阻力數(shù)據(jù)也可能是需要的。這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以是通過(guò)風(fēng)機(jī)散熱器和子系統(tǒng)的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到。對(duì)于電子行業(yè)CFD軟件市場(chǎng)有諸如Icepak和Flotherm，這些軟件具有熱交換的計(jì)算以及流動(dòng)的仿真。一旦全局空氣流速或熱交換系數(shù)得到計(jì)算，F(xiàn)EA有限元分析方法也可用于元器件、連接器或主板溫度的求解分析。硬件測(cè)試階段:一旦產(chǎn)品的樣機(jī)形成，硬件測(cè)試階段就可以展開(kāi)。這里熱設(shè)計(jì)的目的是去實(shí)驗(yàn)測(cè)量產(chǎn)品中關(guān)鍵元器件和熱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。在這一點(diǎn)上不容質(zhì)疑。此外比較測(cè)量的結(jié)果以及校準(zhǔn)或微調(diào)較早的模型樣品（校準(zhǔn)的模型可能用于進(jìn)一步的研究）這些對(duì)比用于確定最初預(yù)測(cè)精度和幫助設(shè)計(jì)者發(fā)展“熱直覺(jué)”有重要意義。硬件測(cè)試階段工具，對(duì)于溫度測(cè)量使用最為廣泛的是熱電偶除此之外熱敏電阻，RTDs，熱敏液晶和紅外圖象技術(shù)都是可選用的工具。這些工具詳細(xì)的使用方法可以參考文獻(xiàn)[10]。在這一階段空氣流速測(cè)量也是具有很大價(jià)值的。熱線風(fēng)速儀提供最為精確的測(cè)量（可測(cè)風(fēng)速以及風(fēng)向）但易于損壞，不易校準(zhǔn)而且價(jià)格昂貴。新型熱線風(fēng)速儀探頭可以從劍橋?qū)嶒?yàn)室購(gòu)買(mǎi)。這些探頭封裝在容易連接傳感器的地方，用于測(cè)量平均風(fēng)速（無(wú)方向信息）和溫度。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（方法應(yīng)用）RP8400計(jì)算機(jī)布局的前后等距圖形如圖2和3所示。為了分析方便這個(gè)產(chǎn)品被分離為兩個(gè)獨(dú)立的空氣流動(dòng)空間CPU/電源部分和輸入輸出座。RP8400：概念產(chǎn)生RP8400概念發(fā)展以滿足所有的16PA-Risc微處理器，64GB的內(nèi)存和4個(gè)硬盤(pán)16個(gè)PCI插槽和集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電子箱內(nèi)的相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換電路。因?yàn)檫@一產(chǎn)品是在整個(gè)使用壽命過(guò)程中保證滿足99.999%正常運(yùn)行的“高性能”標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的熱性能和可靠性是相當(dāng)重要的。除此之外這個(gè)單元有著機(jī)械余量以備以后升級(jí)所用。一個(gè)由多個(gè)學(xué)科所組成的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在超過(guò)四個(gè)月的時(shí)間內(nèi)對(duì)14個(gè)截然不同的概念布局比較了不同的外殼尺寸和空氣流動(dòng)。為了決定它的熱可靠性和證實(shí)潛在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)γ恳粋€(gè)概念布局使用商業(yè)化FNM求解器的MacroFlow軟件[12]進(jìn)行建模求解。除了最初搭建的配置之外還要為將來(lái)進(jìn)一步的升級(jí)和風(fēng)機(jī)失效的情況考慮和模擬。設(shè)計(jì)的模型很大程度使用了通用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，幾何數(shù)據(jù)來(lái)自機(jī)械設(shè)計(jì)圖形，廠商提供了空氣流動(dòng)數(shù)據(jù)。電源和前槽柜裝飾的情況，參考了前一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)。具體的在特殊元件CPU和CEC散熱器的流動(dòng)數(shù)據(jù)，將會(huì)在這章后面討論。CPU/電源部分流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型所選的布局如圖4所示。IO座流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。利用空氣流動(dòng)凈網(wǎng)絡(luò)模型估計(jì)空氣流動(dòng)以及預(yù)測(cè)當(dāng)空氣流過(guò)封裝的關(guān)鍵區(qū)域時(shí)的溫升，同時(shí)也可用于預(yù)測(cè)元件殼溫和結(jié)溫。最不利元器件溫度的估計(jì)使用一個(gè)“內(nèi)部”的散熱設(shè)計(jì)電子數(shù)據(jù)表和專(zhuān)門(mén)的ASIC和熱接口數(shù)據(jù)(Tjmax,Pmax,Θjc,Θch)故方程可描述為：Eq.1熱阻Θ由方程2定義Θ=ΔT/PEq.2利用這一方法可以確定每一個(gè)設(shè)計(jì)的熱可靠性。不現(xiàn)實(shí)的熱可靠性方案將會(huì)進(jìn)一步的修改或者在進(jìn)一步的考慮中剔除。流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建模如何精確描述用于冷卻CPU和CEC芯片散熱器上方的風(fēng)機(jī)時(shí)是RP8400建模的一個(gè)難題[13]。由于存儲(chǔ)器和功率轉(zhuǎn)換的要求所以在CPU的PCB板上可用空間是相當(dāng)之小，因此造成CPU/CEC散熱器的設(shè)計(jì)的體積受到嚴(yán)格的控制如圖6所示。可以很快的確定一個(gè)依靠自然對(duì)流散熱的散熱器不能滿足可用空間、空氣流和預(yù)熱，每一個(gè)CPU和CEC芯片要求有著自身的風(fēng)機(jī)用于加強(qiáng)局部制冷。首先認(rèn)為T(mén)urbocoolers將會(huì)因?yàn)楣ぷ髟诟呙芏鹊南到y(tǒng)中而造成性能上的下降。因此先期的對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的Turbocoolers工作可靠性建模進(jìn)行估計(jì)被認(rèn)為是相當(dāng)重要的。如前所述，流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建模要求流動(dòng)為二維的。很明顯來(lái)自Turbocoolerd的輻射流動(dòng)換熱顯然不滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，此外模型的流阻由于翅片錯(cuò)綜復(fù)雜的幾何外形不能直接得出，因此有必要設(shè)計(jì)一套方案在流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型中模擬Turbocooler熱性能從而使實(shí)驗(yàn)測(cè)量Turbocooler的流動(dòng)和熱阻數(shù)據(jù)成為可能。這一方法要求在網(wǎng)絡(luò)模型中模擬Turbocooler為一個(gè)風(fēng)機(jī)，這個(gè)風(fēng)機(jī)擁有和Turbocooler一樣的壓力和流動(dòng)特性，這些壓力和流動(dòng)特性的數(shù)據(jù)是通過(guò)在Turbocooler翅片之間嵌入風(fēng)機(jī)測(cè)量的。經(jīng)測(cè)量的Turbocooler風(fēng)機(jī)曲線如圖7所示。在求解系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型后。導(dǎo)致氣流通過(guò)每個(gè)Turbocooler均采用開(kāi)放體積實(shí)驗(yàn)測(cè)量Turbocooler空氣流動(dòng)完成一階標(biāo)定.使用方程3，在圖8顯示了實(shí)驗(yàn)測(cè)量熱阻曲線。正如在結(jié)果章中所討論的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種方法充分復(fù)制了Turbocooler在作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的性能。Eq.3RP8400：詳細(xì)設(shè)計(jì)一旦確定了概念設(shè)計(jì)，在最初建模工作時(shí)熱設(shè)計(jì)工程師開(kāi)始關(guān)注確定熱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。為了很好的做到這一點(diǎn)，需要使用更為注重細(xì)節(jié)的建模技術(shù)。重點(diǎn)放在構(gòu)建CFD模型和測(cè)量一個(gè)樣機(jī)系統(tǒng)。CFD模型。使用商業(yè)CFD軟件FLOTHERM以兩個(gè)階段完成建模工作，系統(tǒng)級(jí)和詳細(xì)模型。首先系統(tǒng)級(jí)模型構(gòu)建由產(chǎn)品兩個(gè)重要的空氣流動(dòng)部分（IO座和CPU/POWER部分）模型組成。這些模型的構(gòu)建為了驗(yàn)證流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)果和證實(shí)可能出現(xiàn)的但用FNM技術(shù)又無(wú)法觀測(cè)的流動(dòng)現(xiàn)象（再循環(huán)區(qū)域和三維流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）。由于RP8400的尺寸和復(fù)雜性，在系統(tǒng)級(jí)無(wú)法模擬詳細(xì)和精確的幾何模型，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致用來(lái)產(chǎn)生精確結(jié)果的網(wǎng)格太麻煩不容易求解。主要的子系統(tǒng)諸如CPU，PCBS，電源，硬盤(pán)，裝飾前槽框，風(fēng)機(jī)格柵通過(guò)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量代替將它們作為體積阻力考慮（參考[6]，[7]），從而使建模成為可能。出于時(shí)間的考慮，電子數(shù)據(jù)表中的散熱模型沒(méi)有進(jìn)行流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量。但是體積熱源的系數(shù)直接來(lái)自電子數(shù)據(jù)表而且使用在CFD模型之中（通過(guò)以前諸多項(xiàng)目，電子數(shù)據(jù)表工具已經(jīng)有了很大的可靠性）。此外CFD模型通常不是為了求解熱交換的影響而是減少建立裝配和建模的時(shí)間。在這種方法中兩個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)級(jí)CFD模型被構(gòu)建和求解。CPU/POWER部分系統(tǒng)級(jí)模型，如圖9所示。IO座模型系統(tǒng)級(jí)如圖10所示。CFD模擬工作的第二個(gè)階段由詳細(xì)的對(duì)CPUPCB板建模構(gòu)成。板上方的空氣降低系統(tǒng)級(jí)別，而且可以在板級(jí)設(shè)置一個(gè)固定流再現(xiàn)板級(jí)的模型。由于模型的不確定性決定將5個(gè)Turbocoolers作為一個(gè)單獨(dú)的體積阻力為了去模擬它們的影響和獲得精確和詳細(xì)的空氣流過(guò)PCB板上其它器件的流動(dòng)特性數(shù)據(jù)。這個(gè)CPUPCBCFD幾何建模模型如圖11熱模型，由于Turbocoolers周?chē)沫h(huán)境不確定，熱設(shè)計(jì)工作者決定需要用以往經(jīng)驗(yàn)測(cè)量法，為了證實(shí)通過(guò)流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的Turbocoolers熱性能，因此熱設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)熱樣機(jī)機(jī)箱如圖12所示。熱源以薄膜加熱電阻來(lái)描述從而來(lái)替代CPU以及關(guān)鍵的元器件。構(gòu)建散熱器的模型而且貼附了FR4板再現(xiàn)了系統(tǒng)中的PCB板，電源的模型在系統(tǒng)中的影響也得到了再現(xiàn)。樣機(jī)中溫度和空氣流動(dòng)都得到了測(cè)量，而且與早期的預(yù)測(cè)也做了比較。此外使用前進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量以獲得聲傳信號(hào)的一次性預(yù)測(cè)。（注：由于材料和安裝硬件的不同，樣機(jī)的聲波信號(hào)也與實(shí)際的機(jī)器上的信號(hào)可能存在不同）RP8400：硬件測(cè)試一旦原型系統(tǒng)成為可能，熱設(shè)計(jì)的工作將再次得到關(guān)注。重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到在實(shí)際系統(tǒng)中采集溫度和氣流測(cè)量。為了獲得一個(gè)完整的溫度分布圖，這個(gè)系統(tǒng)裝配了150個(gè)熱電偶和46個(gè)熱線風(fēng)速儀。使用方程1在5000ft高空的測(cè)量結(jié)果被外推到最不利環(huán)境溫度狀況35℃和最大功率。之后外推得到的結(jié)果空氣流動(dòng)表格1羅列了流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)法和CFD模擬的空氣體積流量預(yù)測(cè)比較百分比誤差計(jì)算。利用方程4：%Difference=[1-CFD/FNM]x100Eq.4使用FNM和CFD模擬技術(shù)預(yù)測(cè)的體積空氣流量誤差在+22%和-40%之間。最大的偏差出現(xiàn)在電源的風(fēng)扇處。因?yàn)殡娫吹膶?shí)際模型參數(shù)不能使用，所以最大的偏差可能是由于在流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中使用了典型的電源是流量壓降數(shù)據(jù)。CFD模型在設(shè)計(jì)模型的后期使用了確切的電源原型流量壓降數(shù)據(jù)。表2羅列了測(cè)量速度和估計(jì)速度的對(duì)比?？諝饬魉兕A(yù)測(cè)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的，因?yàn)樯崞鳎ú话═urbocoolers）和板極VRMs開(kāi)發(fā)是基于這些的預(yù)測(cè)的。來(lái)自FNM，CFD經(jīng)驗(yàn)方法的空氣流速值一般而言是一致的，當(dāng)然除了Turbocoolers排氣附近的流速值，因?yàn)樵谀抢?D模型不能完全的描述3D流動(dòng)的特征。MacroFlow風(fēng)機(jī)圖標(biāo)對(duì)于空氣流過(guò)風(fēng)機(jī)只許一個(gè)單一的入口和出口通路（如圖4）節(jié)點(diǎn)在Turbocoolers風(fēng)機(jī)的出口點(diǎn)使用為了給出下流排出的空氣流動(dòng)路徑（通過(guò)下游的CPUVRMs）和背面上游空氣流動(dòng)路徑（通過(guò)上游CPUVRMS）當(dāng)FNM方法用于復(fù)制Turbocoolers的輻射耗散時(shí)并不能完全的模擬3D流動(dòng)的影響。由于時(shí)間和資源的限制無(wú)法構(gòu)造一個(gè)合適的CFD簡(jiǎn)單Turbocooler模型。Turbocooler區(qū)域建模作為一個(gè)在CPUPCB詳細(xì)的CFD模型的體積熱阻,如圖11所示。而在CFDVRM空氣流速方面這個(gè)方法比FNM更為的精確，但是它也不能完全的復(fù)制在上游的CPUVRM流動(dòng)。而且也過(guò)高的估計(jì)了空氣流過(guò)這些元器件的流量，因?yàn)檫@模型很難在開(kāi)始對(duì)早期熱設(shè)計(jì)人員基于經(jīng)驗(yàn)做出的判斷進(jìn)行調(diào)整。預(yù)測(cè)空氣流速用于VRM軟件因?yàn)樵谶@些區(qū)域不能超過(guò)預(yù)測(cè)可能的流量。唯一的例外是Turbocooler區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域CPUPCBCFD模型比系統(tǒng)級(jí)模型包括了更為詳細(xì)的幾何信息，因此提供了一個(gè)更為精確的CPU板上方空氣流的分布圖。除了幫助證實(shí)FNM預(yù)測(cè)，CFDCPU板模型顯示了一個(gè)在流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型中無(wú)法顯示的流動(dòng)現(xiàn)象。CFD模型能夠再現(xiàn)由于3個(gè)PDHRiser板連接器阻擋所造成的氣流通過(guò)一排四個(gè)內(nèi)存控制器芯片區(qū)域的減少。如圖13。因?yàn)樵贒IMMs之間的通道是以FNM建模的（而且不是真正的板級(jí)模型）如果詳細(xì)的CFD模型沒(méi)有完成這個(gè)阻礙有可能會(huì)忽略掉。溫度在熱樣機(jī)和原型單元中的元器件估計(jì)殼溫和測(cè)量方法進(jìn)行比較，如表格3所示。元器件估計(jì)殼溫的預(yù)測(cè)值來(lái)自FNM和CFD模型空氣流量值，使用“in-house”散熱器電子表格數(shù)據(jù)。樣機(jī)和原型單元中的元器件的外殼和散熱器溫度被測(cè)量。報(bào)告外殼溫度被推斷到最不利環(huán)境狀況和功率狀況。測(cè)量溫度誤差+/-1攝氏度。對(duì)元件對(duì)象一系列配置（縱橫芯片，記憶控制芯片），溫度顯示對(duì)應(yīng)于最遠(yuǎn)下游組件。盡管在實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度和預(yù)測(cè)值之間存在差異，設(shè)計(jì)工作的目標(biāo)是完成所測(cè)量溫度值都低于最大準(zhǔn)許溫度。結(jié)果該產(chǎn)品已成功推出無(wú)須改變現(xiàn)行的系統(tǒng)要求?；贔NM和CFD的溫度預(yù)測(cè)一般是一致的，因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)預(yù)測(cè)值通過(guò)這2種方法在很大的程度上是相當(dāng)接近的?；谀M的溫度預(yù)測(cè)結(jié)果也與在熱樣機(jī)所測(cè)得的溫度相一致。這樣在存儲(chǔ)控制器情況下CFD預(yù)測(cè)更低的空氣流速穿過(guò)這些被PDH風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域阻礙的芯片。因此對(duì)這些受到連接器阻礙的芯片的預(yù)測(cè)殼溫更高。最大的偏差可以通過(guò)預(yù)測(cè)溫度和在原型系統(tǒng)中測(cè)量溫度比較得出。最大的偏差為44%基于殼溫，溫度升高超過(guò)空氣溫度可以在CEC的預(yù)測(cè)中看到，在這種情況下預(yù)測(cè)低于實(shí)際測(cè)量值。對(duì)于這些誤差可能是下列原因所造成的。首先系統(tǒng)中存在著復(fù)雜的流動(dòng)由于Turbocooler徑向的排氣方式，使得精確建模非常困難。而TurbocoolerFNM模擬技術(shù)出現(xiàn)適合去預(yù)測(cè)最不利情況CPUTurbocooler溫度。它屬于瞬間的反映3D立體幾何因素影響，這個(gè)幾何因素影響CECTurbocooler的性能。位于四個(gè)CPUTurbocooler中心的CECTurbocooler性能表現(xiàn)出下降，由于減少了排氣體積和吸入鄰近Turbocooler排除的空氣流。由于所處位置不利使的性能下降，這是在建模結(jié)果中所不能反映的，但是會(huì)在樣機(jī)和原型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中顯示。有趣的是在樣機(jī)數(shù)據(jù)（配備了低性能的52翅片Turbocoolers）和原形數(shù)據(jù)（配備了高性能的60翅片Turbocoolers）的比較中，顯示了CECTurbocooler在原型中性能更差，而CPUTurbocoolers性能更好。產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果可能是持續(xù)吸入周?chē)鶦PUTurbocooler排出的空氣所引起的。增長(zhǎng)的流過(guò)60翅片的Turbocooler空氣可能是由于增加的開(kāi)放區(qū)域(減少流阻)，通過(guò)減少Turbocooler體的多余翅片。第二，構(gòu)建的散熱器和在熱樣機(jī)中所使用的散熱器并未完全反映最終的機(jī)械屬性，諸如用于將散熱器安裝在PCB板上的螺釘和彈簧。這些特性阻礙了氣流的流通同時(shí)也減小了有效傳熱面積，如圖14所示。在某些情況下，對(duì)氣流的的流通阻礙相當(dāng)嚴(yán)重。因?yàn)檫@些特征不能完全的在熱樣機(jī)中設(shè)計(jì)出來(lái)，熱樣機(jī)中散熱器不能完全真實(shí)的反映最終的設(shè)計(jì)，所以就無(wú)法體現(xiàn)這些流動(dòng)特性。如果資金允許，使用[6]和[7]中討論的先進(jìn)建模技術(shù)和散熱器氣流實(shí)驗(yàn)測(cè)試，則這個(gè)誤差可以被減小。第三，在原型單元中所進(jìn)行的元件測(cè)量功率，這個(gè)功率必須由溫度外推到一個(gè)最不利的估計(jì)功率，必須精確到+/-10%功率，此外在原型中所引起的殼溫誤差必須報(bào)告。對(duì)于IO和存儲(chǔ)控制芯片，功率測(cè)試是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，這些芯片的功率耗散通過(guò)其它方法估計(jì)，這就造成了估算值和實(shí)際值的差異。最后，因?yàn)闊嵩O(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)是同時(shí)進(jìn)行的，熱模擬和測(cè)量描述了在設(shè)計(jì)周期某個(gè)點(diǎn)上元件溫度的云圖。設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷的折中，影響了原型的最終測(cè)量溫度。因此，報(bào)告中的原型溫度測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)的權(quán)衡后的最優(yōu)結(jié)果。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中所做的折中設(shè)計(jì)不能在模擬或樣機(jī)測(cè)量中反映的是為了減輕PCB重量而對(duì)散熱器底座進(jìn)行減小，為了更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)而改變散熱器的材質(zhì)，為了結(jié)構(gòu)/EMI考慮和產(chǎn)品說(shuō)明的放置考慮消除的地盤(pán)穿孔洞。結(jié)論本文提出了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的熱設(shè)計(jì)方法,并將其應(yīng)用于一個(gè)多處理器的企業(yè)服務(wù)器RP8400熱設(shè)計(jì)。所建議方法的重點(diǎn)是通過(guò)仔細(xì)的應(yīng)用合適的的熱設(shè)計(jì)工具和技術(shù)來(lái)系統(tǒng)地減少產(chǎn)品存在的熱風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用于RP8400的設(shè)計(jì)方法為處理復(fù)雜3D流體模式的大型系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)提供合適的依據(jù)。所建議的方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于：提出一個(gè)低熱風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)來(lái)滿足一個(gè)并不需要特別精確的溫度和空氣流速預(yù)測(cè)的項(xiàng)目方案.利用了一個(gè)優(yōu)化的設(shè)計(jì)工具組合,以提高產(chǎn)品性能及減少設(shè)計(jì)時(shí)間。展現(xiàn)了對(duì)于給定的熱設(shè)計(jì)工作,沒(méi)有特別偏好的熱設(shè)計(jì)工具。強(qiáng)調(diào)了在具體的階段使用合適的熱設(shè)計(jì)工具。最后如資金允許,通過(guò)頻繁的詳細(xì)建模技術(shù)(簡(jiǎn)稱CFD,FEA)及次系統(tǒng)測(cè)試的應(yīng)用,可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。謝詞我們感謝惠普公司的蓋布拉德,對(duì)整個(gè)RP8400設(shè)計(jì)工作的支持和技術(shù)援助。參考資料[1]C.Belady,“EffectiveThermalDesignforElectronicSystems”,Hewlett-PackardCompany,22June2001.[2]C.BiberandC.Belady,"PressureDropPredictionforHeatSinks:WhatistheBestMethod?"ProceedingsofInterPACK'97Conference,ASME,1997.[3]C.L.Beladyetal.,“ImprovingProductivityinElectronicPackagingwithFlowNetworkModeling(FNM)”,ElectronicsCoolingMagazine,vol.5,no.1,pp.36-40,January1999.[4]G.Ellison,ThermalComputationsforElectronicEquipment,NewYork,NewYork,