国库局冷却用于军事应用的高功率COTS模块

开放式标准气流通孔 （AFT） 冷却技术是国防和航空航天应用坚固耐用的 COTS 系统设计人员可用选项的一个受欢迎的补充。诺斯罗普·格鲁曼公司的 AFT 技术采用 ANSI/VITA 48.5-2010 标准，为冷却 C4ISR 应用中使用的高性能 VPX 板提供了一种经济高效的方法。

要成功满足高功率、高密度 COTS 系统的热管理要求，需要采用全方位的冷却方法，从空气和传导冷却到通过冷却技术的喷雾和液体流动，以及实施这些方法所需的经验和专业知识。

如今，许多 VPX 系统的功率密度排除了使用标准传导冷却卡的可能性。当卡达到高达 170 W 的密度时，它们超出了传导冷却卡可以处理的单插槽能力，特别是当这些高功率卡中的几个用于系统中的相邻插槽时（取决于组件和环境限制）。诺斯罗普·格鲁曼公司的VPX卡的气流通行（AFT）冷却技术在ANSI/VITA 48.5-2010标准中定义，为国防和航空航天集成商提供了一种额外的武器，用于对抗高功率密度卡和系统中的过热。AFT成为当今高性能模块的“最佳点”，可在+55°C空气范围内可靠地冷却120至200 W卡。考虑传导冷却、空气冷却、喷雾冷却和 LFT 等替代方法有助于突出 AFT 的优势。

目标：冷却到组件附近

传导冷却

标准传导冷却卡难以处理 170 W 卡上的温升。增加挑战的是额外的热阻，即将热量传递到外壳，然后拒绝周围的空气以及相邻卡的功率耗散。无论使用哪种介质来阻挡热量，该解决方案对于典型的+55°C环境都是不切实际的。这意味着熟悉的冷却方法——例如外部强制对流（将空气吹过机箱表面的外部以从系统吸收热量）和底板冷却（热量传导到安装表面并排斥到安装板中）是不够的。

典型的传导冷却卡具有太大的热阻，无法冷却当今性能最高的模块。在某些情况下，热管或铜嵌件已被用于处理对于典型的铝传导散热器来说太高的功率密度，以将热量传递到卡边缘。热管的热传递能力可以为解决上述问题提供显着的好处。不幸的是，当考虑到系统的总功率、温度范围和热管的姿态依赖性时，该解决方案可能成为一个重要的成本驱动因素，并且仍然不能有效地处理外壳中的大功率密度。

空气冷却

更好的解决方案需要从发热组件到冷却介质的更短的热路径。这意味着冷却介质必须尽可能靠近组件。最简单，最可靠，最经济的方法是简单地将空气吹过卡。这将冷却介质（空气）直接带到组件上，从而消除了大量的传导电阻。但是，环境空气可能会被灰尘，湿度，盐雾等污染，例如，这会引起电子设备电气短路等问题。因此，需要一个密封的外壳来防止环境空气与卡接触。这消除了环境风冷卡和机箱在许多恶劣环境中的可行性。

从理论上讲，如果风冷卡位于密封的机箱中，该机箱具有内部风扇以将热量从卡中拉出，内部高密度翅片将热量从内部空气中拉出并将其推入机箱外部，并且具有外部高密度翅片以将热量推入外部环境空气中，则可以使用风冷卡。不幸的是，这种方法会使风扇数量增加一倍，风扇功率增加一倍，不幸的是，仍然可能无法提供足够低的热阻。（空对空热交换器效率非常低。

喷雾冷却和液体流过 （LFT）

将冷却介质靠近组件的其他选项包括喷雾冷却或液体流过（LFT）热框架。喷雾冷却可以通过将冷却介质直接喷在卡上来消除卡中的热量，但它涉及对卡的不平凡的修改，卡上冷却剂的腐蚀/侵蚀问题，以及与喷嘴，泵，蓄能器，阀门，冷却剂，液对空热交换器等相关的复杂性。该解决方案需要更高频率的维护，但存在一些真正的可靠性问题，并且使得在SWaP受限的环境中满足重量要求变得更加困难。

使用LFT热框架，液体通过安装在电路卡上的金属框架。液体去除了高功率组件中的热量并减轻了侵蚀问题 - 流体从不接触组件 - 但它的制造成本很高，并且在阀门，泵，气囊等中具有相当大的复杂性。与喷雾冷却一样，由于所需的底盘，冷却液，软管，阀门和液对空热交换器，因此存在重量问题。LFT具有一些非常有吸引力的品质，因为冷却介质正好在组件上但不接触，但是重量和复杂性的影响限制了它的使用。

船尾冷却

这就引出了下一种方法，即利用空气取代LFT的冷却液。这提供了相同的好处，即冷却介质非常靠近组件而不直接接触。这也使使用液体的设计的重量和复杂性显着降低。而且空气很便宜。诺斯罗普·格鲁曼公司的AFT冷却技术是一种经过验证的AFT方法，它将强制空气冷却的简单性和LFT提供的冷却介质的热阻的极大降低相结合，这是ANSI/VITA 48.5-2010中定义的开放标准。使用AFT，空气通过加热框架，防止环境空气接触电子设备，但显着降低到冷却空气的热路径。

鉴于AFT在设计简单、重量效率和低热阻方面的优势，Curtiss-Wright正在利用这种方法作为其最高功率密度系统的首选解决方案。这些 AFT 模块可在 -40 °C 至 +55 °C 的入口环境温度下实现可靠运行。 这些模块封闭在带有入口和出口空气开口的热框架中。AFT散热器在较大的表面积上为系统模块提供最大的冷却。在卡的入口侧和排气侧，安装在机箱内部的垫圈将卡的内部空气通道密封到机箱侧壁。这些密封件可防止空气吹入机箱，并保护内部电子设备免受恶劣外部环境的影响。表1给出了上述冷却方法的比较。

表 1：讨论的冷却方法的并排比较。

热分析

作为AFT冷却优势的一个例子，我们对各种情况进行了详细的热分析（结果可根据要求提供）。典型的VPX SBC热分析结果表明，当输入空气为+55°C时，系统可以充分冷却，并留有余量。AFT的好处之一是冷却空气非常接近大功率组件;这不仅适用于基卡上的组件，也适用于 XMC 卡上的组件。通过 XMC 上的高功率组件提供冷却环境空气的短路路径，即使是 XMC 卡也能实现最高性能。每个高功率组件都通过导电的柔性间隙焊盘连接到AFT热框架。

隔离热路径

AFT的另一个非常有价值的优点是隔离系统中每个卡的热路径。使用AFT，卡不会共享冷却空气或它们将热量传导到的热接口。每个 AFT 卡都有自己的 +55 °C 空气入口和自己的排气口。除冷却空气外，没有其他冷却路径。从热的角度来看，这使得每个卡都可以单独查看。通过确保系统中所有卡的气流平衡，每个卡都能接收到将组件保持在适当温度所需的冷却空气量。为了突出该方法的功能，假设高功率基卡和子卡的组合，进行了热分析。结果如下所示：

热结果：带有两个 XMC 热结果的 SBC

此通用卡假定具有以下热负荷： SBC： 90 W XMC： 40 W

总功率 = 170 W（单个插槽）

热分析摘要

热分析与先前开发的系统的性能和发现一致，这些系统使用AFT作为其冷却解决方案。如果假设病例温度可能为+100°C或更高，则整体分析显示大量裕量。由于Curtiss-Wright非常频繁地执行这些分析，因此可以理解的是，实际应用的功率密度问题可能比这里描述的更严重，因为在许多情况下，高功率元件是“倒装芯片”设计，芯片安装在BGA基板的顶部。当芯片产生所有热量时，高功率耗散的面积小于本分析中分配的面积。

可以采用多种技术来应对这些高性能组件的高功率密度挑战 - 包括更高性能/更薄的间隙垫，使用铜散热器以及使用可调高度的铜散热器以最小化间隙垫厚度。鉴于这种理解和上述分析的结果，AFT是冷却“最佳点”120至200 W高功率和高性能SBC和DSP模块的绝佳解决方案。

审核编辑：郭婷