VITA 48.8空气流通冷却标准降低了已部署VPX系统上的SWaP-C

作者：IVAN STRAZNICKY，DAVID VOS

商用现货 （COTS） 系统开发人员面临的持续挑战是平衡竞争方法，以减小系统的尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C），同时尝试部署最现代的技术。如今，系统集成商正面临着实现这种平衡的迅速缩小的余地。虽然设备的功率和密度有所增加，但平台环境边界条件并未改变。结果是利润越来越小。唯一的选择：更有效地从系统中去除热量。

虽然已部署系统的热管理变得越来越困难，但平台的重量限制也越来越严重。许多现代平台，如旋转升降直升机和无人驾驶飞行器（UAV），越来越受到重量限制，系统上每增加一磅就会影响任务持续时间和航程。

随着系统集成商在处理SWaP-C时受到来自各个方向的挤压，有一些好消息。最近批准的 ANSI 标准 ANSI/VITA 48.8-2017“使用气流通过冷却的电子 VPX 插入式模块的机械标准”（ANSI/VITA 48.8）代表了一种使用空气流通 （AFT） 技术冷却嵌入式系统的方法，该技术显着降低了已部署电子设备的 SWaP-C，同时提高了航空电子系统的可靠性并能够部署更热的现代设备。由于使用传统的传导-冷却方法冷却当今较热模块的能力变得不那么可行，VITA 48.8 大大拓宽了热管理裕度，同时为液体冷却所需的复杂性和基础设施提供了更好的系统平台替代方案。

VITA 48.8 是首个支持小型 3U VPX COTS 模块的开放标准 AFT 技术，这些模块是 SWaP-C 敏感旋翼机和无人平台的首选。VITA 48.8 基于洛克希德马丁旋转和任务系统公司开发的技术，通过消除楔形锁和弹出器/喷油器手柄的使用，有助于减轻高密度、高功率耗散 3U 和 6U 模块系统的重量和成本。它还支持其他气流布置，允许在两个卡边缘进气。由于 VITA 48.8 不使用模块到机箱传导冷却，它还有望帮助推动新型轻质聚合物或复合材料底盘的创新使用。（图 1 和图 2。ANSI/VITA 48.8 标准增强了以前对 AFT 冷却的设计挑战，例如压降、飞行高度、空气冷却、气流进气、热交换和排气路径。符合 ANSI/VITA 48.8 标准的模块使用位于组件中央部分的翅片式热交换器框架来对主电路板和夹层板组件进行顶部冷却。

图 1：和图 2：传统的传导冷却（图 1）方法对于当今运行较热的模块来说变得不太可行。符合 VITA 48.8 标准的 AFT 模块使用位于组件中央部分的翅片式热交换器框架来对主电路板和夹层板组件进行顶部冷却（图 2）。

在系统和平台层面，与实施液体冷却所需的基础设施相比，VITA 48.8 AFT 方法的主要优势是尺寸和重量更小。在电子模块级别，主要优势是大大改善了热管理。与模块传导冷却 （VITA 48.2） 或底盘液体冷却替代方案相比，VITA 48.8 使系统集成商能够将可部署在给定底盘中的电子功能密度提高近一倍，甚至将每架飞机的整体航空电子设备重量减轻数百磅。对于作战人员来说，VITA 48.8提供的SWaP-C的减少可以显着增加任务范围，有效载荷和燃油经济性，同时为新功能提供前所未有的计算能力水平。

VITA 48.8 保留了物理定律

VITA 48.8 对嵌入式系统设计人员如此引人注目的主要原因是：设备和模块的功率和热量正在上升，您无法违反物理定律。在过去的 20 或 30 年中，随着传导冷却成为大多数最热门的基于 VME 和 VPX 的系统的方法，基本目标是能够有效地将 50 W 卡冷却到平台环境。如今，在主机卡上安装50 W处理器、现场可编程门阵列（FPGA）或通用图形处理器单元（GPGPU）设备已经司空见惯。

现在考虑添加夹层卡：越来越有可能找到一个托管 50 W XMC 卡的 100 W 3U VPX 模块。不幸的是，使用 VITA 48.2 冷却组合主机和夹层卡产生的 150 W 功率是不可行的。这是因为当设计为 85 °C 卡边缘的 3U 主机卡承载夹层时，夹层安装点不可能保持 85 °C。物理学说，夹层卡的温度必须高于主机卡边缘的温度。

对于情报、监视和侦察 （ISR） 平台的典型实时确定性应用，保持 85 °C 卡边缘的挑战至关重要。考虑 FPGA 器件随温度变化的功耗。如果FPGA的85°C结温上升到100°C，实际电流消耗将上升30%，从而导致非线性功耗和潜在的热失控情况。为了避免热失控，许多多核处理器采用节流，虽然它可以保护设备免受过热的影响，但可能会导致性能突然下降，这可能被证明是至关重要的。由于热失控的威胁，需要将模块结温保持在85°C，但是（如前所述）如果不向平台添加主动冷却/制冷，这种方法就造成了物理上的不可能。

消除“热三明治”问题

对于寻求冷却当代3U卡和夹层模块的系统设计人员来说，另一个复杂的挑战是热量被“夹”在两块板之间。通常在开放式架构系统中，夹层卡的初级侧定位为面向主机卡的初级侧。这种设计导致设计用于两个卡顶部冷却的高功率密度组件直接相对放置。VITA 48.2 试图通过楔形锁将产生的热量拉出，但存在额外的导电和界面热阻，限制了这种方法的有效性和效率。VITA 48.8 换热器方法提供了解决夹层热问题的理想方法，因为它使冷空气尽可能靠近设备的主要热路径，有效地解耦卡之间的夹层热量，并通过两卡主侧之间的气流将其排出。

虽然多年来一直在努力通过在模块框架或楔形锁上使用特殊材料来提高传导冷却的效率，但这种方法的有效性回报递减。另一个推动力是降低边界条件，将卡边缘温度从85°C以下驱动到70°C，甚至在某些情况下驱动到60°C。 从系统集成商的角度来看，这种方法是有问题的。给定 49 °C 的外部空气温度，加上太阳能和其他子系统的热负荷，当使用环境空气冷却时，相当于机箱的入口温度为 70 或 71 °C。使用基于制冷剂的冷却方法来实现更冷的卡边缘会带来很高的SWaP-C损失和平台级别的大量基础设施。

从系统的角度来看，非常密集的大功率传导模块在尺寸和重量方面可能很有吸引力，但从底盘和平台级别考虑时，液体冷却系统所需的额外重量可以抵消模块级别的好处。相比之下，VITA 48.8 可以显著减轻整体系统重量。将 3U 传导冷却模块和 XMC 卡（假设每个卡上都有 50 W 芯片）有效地冷却到 85 °C 卡边缘需要侧壁中带有液体冷却的机箱。考虑以下设计方案：从单个半 ATR ［空中运输无线电］ 盒开始容纳传导冷却模块的系统架构可能需要一个纯粹用作液体-空气热交换器的第二个半 ATR 盒，以便有效地部署解决方案。

使用 VITA 48.8，消除了整个下半部分 ATR 盒，从而节省了相当大的重量和系统尺寸。相比之下，使用 VITA 48.8 实施 AFT 冷却并实现 85 °C 结温通常只需要将少数几个高功率模块和电源的尺寸和重量增加 20% 到 50%。根据特定模块的功率和功率密度，将需要 1.2 英寸或 1.5 英寸间距模块，而不是 1 英寸间距模块。（图 3。考虑这个例子：如果一个平台上有超过 100 个箱子，并且 VITA 48.8 使每个底盘节省 5 磅，则在车辆级别，每个平台的总体收益是节省 500 磅。

图3：定性系统级功率影响。

冷凝不是 VITA 48.8 的问题

系统集成商在考虑液体冷却时需要了解的另一个问题是冷凝。当系统的冷却液温度低于平台上可用环境空气的露点时，就会出现冷凝问题。在系统集成和测试过程中，甚至在受控的实验室环境中观察到由低于露点供应的冷进气/冷却剂引起的冷凝。当系统部署在平台上时，在不受控制的环境中，露点可能等于或低于环境温度，这可能远高于冷却液要求。

在一个用户的轶事中，一个平台在降落在一个热带岛屿上后增加了200多磅的冷凝水。除了在每一盎司都很重要的平台上增加不必要的重量外，冷凝还会损坏或破坏现场电子设备。VITA 48.8 通过提供从平台级冷却空气到结温的最短路径来提供所需的冷却效率。它还消除了冷凝问题，因为它使用了一个集成风扇，确保运行始终高于露点（包括在相对湿度超过 100% 的操作情况下）。

对于为航空航天和国防应用部署的 COTS 系统的系统设计人员来说，VITA 48.8 在设计和冷却当今领先的 3U 模块方面迈出了一大步。AFT可以为未来基于3U的设计提供显着的使用寿命;通过支持使用当今最热门、最先进的半导体器件，它将推动升级和新功能以及更多计算能力系统的部署。

符合 VITA 48.8 标准的插入式模块将为政府和行业客户提供显着的成本节约，并为部署在未来垂直升力飞机等平台中的航空电子系统减轻约 40% 的重量。更好的是，这种新的冷却技术保留了对现有电气和软件架构的投资，并保护电子元件免受环境污染。新的冷却标准定义了需要高性能处理和图形的平台的设计要求。或电子战功能，这意味着 AFT 冷却插入式 VPX 模块（包括 3U 和 6U 外形）保留了当前的 VITA 46.0 和 VITA 65 连接器互操作性。

审核编辑：郭婷