PCIe卡热管案例分析

简介

宝德(Boyd)公司热工部门Aavid接受了一项充满挑战性的任务:冷却安装在机架式卫星跟踪、遥测和遥控(TT&C)装置内的大功率PCIe卡。该产品充当着卫星控制中心与卫星自身之间的重要桥梁。



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挑战

相关的PCIe卡视运行条件需要耗散40-50W的功率。客户要求不增加额外的主动冷却,因此Aavid必须找到一种能够利用系统中现有风扇阵列的被动解决方案。

冷却方案的主要焦点在于通过将BGA设备温度保持在最低值来实现PCIe卡的MTBF最大化。

解决方案

为了达到此级别的功率耗散,最有效的选择是设计热管/散热器片。如今的高端计算机显卡采用相似的散热系统;其中大部分系统均利用小型板载风扇进行主动冷却。为了使该系统保持被动冷却,Aavid决定考虑双插槽设计,其中较大的翅片堆叠将占据第二个插槽。

Aavid创建了一个详尽的CFD基础模型,包括FPGA、PHY、DDR、DDS、Omap、Bridge和LTM套件。PCB散热性能由客户所指定的地层和电源层数量决定。系统中的其他组件(如RF和散热板)被模制成散热PCB板。随后在55°C的环境温度下,以750 hPa的高空压力和300LFM的流速对该系统进行分析。

根据基础CFD模拟情况,Aavid能够确定在以上条件下电路板上的流线图和温度图、组件结温和壳体温度。随后,通过以下方式修改此基础模型以最终确定散热方案:

-对于处于或高于其热极限的组件,通过计算来确定散热器所需的最小热阻值以使其处于安全的运行范围。
-为超出最小结温要求的所有组件
设计散热方案。
-针对DFM、成本和性能优化散热器。

可交付成果/结果

向客户提供完整的散热报告和样品装置以进行测试。这些样品装置在Aavid位于新罕布什尔州拉科尼亚总部的快速样品设计设施制造,客户得以快速有效地验证散热方案。在样品测试成功后,Aavid阐述了用于最终产品的PCIe卡冷却方案的全面生产运行。从概念到生产以及两者之间的所有环节,Aavid为这一棘手的散热问题提供了经济有效且即时的解决方案。

-在以上测试条件(55°C,750hPa和300LFM)下,所有组件均保持在最高结温限值以下。
-建议增加侧挡板,因为增加侧挡板后,可防止产生空气旁路并可进一步提高结温。
-热管的策略性3D布线使得热量分散到整个PCB表面并向上进入翅片。

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