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前言
PXI/PXIe系統是追求穩定度與嚴苛環境的量測與自動化測試系統的最佳平臺。系統散熱的設計,對于系統的穩定度扮演重要的角色,包含風流與流場的規劃,該如何避免氣流通道吸入不必要的熱源?如何將散熱孔在安規的限制下取得極大化的平衡;如何配置風扇,以取得風扇最佳性能?以及如何規劃電源供應模塊的空間配置,以提供獨立的流場?以上種種,都會是影響PXI/PXIe系統散熱的要素。本文將帶您一窺系統散熱設計的秘訣,以挑選最適合的PXI/PXIe系統。
PXI/PXIe系統設計的限制
PXI/PXIe機箱的設計首要考慮PXI/PXIe模塊配置的方向。模塊插卡的方向會直接影響風流的走向。一般市場上最常見的是以4U高的PXI/PXIe機箱,搭載3U PXI/PXIe模塊卡片,卡片大多是直立式插放配置于4U PXI/PXIe機箱中。在如此有限的空間下,散熱的設計,以保持系統的穩定度,是系統設計者的一大挑戰。
風扇配置的考慮
一般說來,PXI/PXIe機箱風扇配置的位置有兩種,分別為“下方式”或“后方式”。傳統風扇大多配置于機箱的下方,然而配置于機箱的下方,容易造成風流分布的不均勻,影響系統整體的散熱質量。例如兩組風扇中間的插槽的溫度,就可能因為風流不平均的緣故,溫度因而高于其他插槽(見圖一)。如此一來將不利于系統的規劃與配置。因而將風扇配置于后機箱后方的新型設計應運而生,風扇配置于機箱后方的設計,可帶來平均的風流,改善溫度不均勻的問題。(見圖二)
圖一:將風扇配置于機箱下方,兩風扇間的風流因為受到阻隔,無法提供平均的風流。
圖二:將風扇配置于機箱后方,可增加風速,并提供平均的風流。
然而,將風扇配置于機箱后方,仍然有不同的作法考慮。其一為風流“由后往前吸入式”,因為風扇可直接吸入空氣的緣故,風速可較高,但風流的控制較為不易,再加上根據PXI規范所定義,風流必須由下而上通過PXI模塊,如此一來,散熱的規劃勢必得透過機箱上方的開孔才得以實現,這對于嚴苛環境要求較高的環境,是比較不利的設計(見圖三)。相反的,假設風流為“由前往后吸入式”,雖然風扇距離吸入的空氣距離較遠,風速較低,但風流的表現可以比較穩定且易于控制。
圖三:風流“由后往前吸入式”,散熱出孔必須通過系統上方。
流道的規劃
此外,風扇的配置也需考慮流道的設計,如何避開客戶使用時可能遭遇到的熱源,將冷空氣順利的導出,是設計機箱時極為重要的考慮點。以PXI/PXIe機箱的使用環境來說,大多的客戶會使用混合式的測試系統,將PXI/PXIe系統安裝于機柜中。如此一來,熱源的考慮將不單只是該PXI/PXIe系統本身,而包含完整的混合式測試系統。就以剛剛提到的第一種,由后往前吸入式的風扇配置的機箱,會將空氣吸入機箱本體,再導向機箱前方排出,然而因為機柜后方帶入的空氣,易混雜其他混和系統所產生的熱空氣,也會把PXI/PXIe機箱背板所產生的熱,一并帶入置于前方的PXI/PXIe模塊中,反而不利整體系統的散熱。而第二款新型PXI/PXIe機箱的設計,則改采用后方風扇由前往后吸入式的設計,將前方“干凈”的冷空氣,通過PXI模塊,引導至機箱后方排出,以避免上述的情況發生。(見圖四)
圖四:由前往后吸入式的機箱設計,可提供較干凈的流道,避免帶入不必要的熱源。
優化開孔的設計
為了引導風流散熱優化,機箱開孔的規劃與設計也有其重要性。如何在安規限制與機構的極限下,取得平衡,也考驗設計機箱的功力。新型PXI機箱不僅在前后對應的位置開孔加強散熱外,包含兩側、前面板,均做了極大化的開孔設計。首先受到PXI規范的限制,風流必須是由下往上散熱,所以能夠開孔的位置僅能在機箱的下方,就高度而言,考慮到PXI模塊的高度限制,開孔的上緣不得超過PXI模塊的下緣位置,在如此有限的空間下,新款PXI/PXIe機箱在不僅僅在前方下緣做了很多微小的開孔進風,在機箱的兩側下緣,也利用可能的空間,極大化了開孔設計。(見圖五)
圖五:機箱前下方與兩側下緣,均提供進風點。
風扇性能與背壓的平衡
受到機箱先天空間環境的限制下,必須找出風扇背壓與風扇流量的優化配置。最理想的狀況是擁有平滑的曲線距離以及較長的距離,讓風扇的表現可以達到PQ曲線優化。然而受到PXI/PXIe機箱空間限制的緣故,必須在不斷的計算與調整中,取得機箱背板的最佳斜率,以表現風扇最佳性能。
電源模塊配置的考慮
電源模塊的選擇與配置也是一門學問。在過去的系統設計中,很容易就忽略掉電源供應模塊本身產生的熱源,也會影響PXI/PXIe機箱的性能。在傳統設計中,沒有將電源供應模塊與機箱本身的熱流隔開,電源供應模塊強制排氣的功能,會造成機箱的流場混亂。因而新款機箱必須能阻隔電源供應模塊以及風扇本身的熱流,甚至為電源供應模塊設計獨立的開孔,以提供獨立的風流。這些都是為了改善此現象所做的設計。(見圖六)
圖六:梯形部位顯示該電源供應模塊擁有獨立的流場,同時左右也提供獨立的開孔散熱。
智能型監控與自動調節
為了確保系統運作時的穩定性,智能型監控系統的設計,可以提供保護與系統調節的功能。PXI/PXIe機箱可透過傳感器的配置,例如在背板上方配置五組的傳感器,以監控機箱內溫度的變化,透過程序的設定,在溫度高時,加快風扇的轉速,可有效確保系統運作的穩定性,并達到節能的效果。
PXI/PXIe移動運算方案
為滿足PXI/PXIe量測系統移動運算的需求,可安裝便攜型的屏幕鍵盤套件,對客戶來說,是很方便的設計。客戶可使用外接式的屏幕鍵盤套件,將機柜型PXI/PXIe系統,轉化成便攜型PXI/PXIe系統。這時如果PXI/PXIe機箱的散熱配置不當,一旦加上屏幕鍵盤套件,可能會影響原有的散熱。正如先前提到,一旦新款風扇采用“由前往后吸入”的設計,在搭配便攜型套件時,將不會阻絕原有的散熱設計。并且,鍵盤底部可附上11mm墊片,使得電源供應模塊的獨立的散熱設計可持續作用,大幅提升PXI/PXIe系統的便利性,而無需擔憂系統的穩定。(見圖七)
圖七:便攜型屏幕鍵盤套件增加行動運算的便利性
總結
PXI/PXIe機箱的設計并非單一考慮機箱本身的設計,必須和其他量測系統所使用環境一并搭配考慮,包含風扇的配置、風流的規劃、電源的選購,模塊優化性能的提升等。凌華科技為PXI系統聯盟的協會董事會及最高等級會員,也是亞洲唯一的PXI產品的專業制造商。多年來相繼開發超過100個以上PXI產品,以滿足各類高端PXI及PXI Express測試平臺需求。其中最新上市的PXES-2590,為業界首款全混合式插槽的PXIe機箱,針對高性能高帶寬的PXI/PXIe模塊所設計。PXIS-2719A為19 槽3U智能型PXI 機箱,特別適合需要高容量PXI的量測與測試相關應用。它們均采用最新PXI/PXIe機箱設計,為高穩定高性能的系統首選。
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