您所不知的PXI/PXI Express系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的秘訣

前言 
PXI/PXIe系統(tǒng)是追求穩(wěn)定度與嚴(yán)苛環(huán)境的量測與自動化測試系統(tǒng)的最佳平臺。系統(tǒng)散熱的設(shè)計(jì)，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定度扮演重要的角色，包含風(fēng)流與流場的規(guī)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(guī)的限制下取得極大化的平衡；如何配置風(fēng)扇，以取得風(fēng)扇最佳性能？以及如何規(guī)劃電源供應(yīng)模塊的空間配置，以提供獨(dú)立的流場？以上種種，都會是影響PXI/PXIe系統(tǒng)散熱的要素。本文將帶您一窺系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的秘訣，以挑選最適合的PXI/PXIe系統(tǒng)。

PXI/PXIe系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制 
PXI/PXIe機(jī)箱的設(shè)計(jì)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(fēng)流的走向。一般市場上最常見的是以4U高的PXI/PXIe機(jī)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(jī)箱中。在如此有限的空間下，散熱的設(shè)計(jì)，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的一大挑戰(zhàn)。

風(fēng)扇配置的考慮
一般說來，PXI/PXIe機(jī)箱風(fēng)扇配置的位置有兩種，分別為“下方式”或“后方式”。傳統(tǒng)風(fēng)扇大多配置于機(jī)箱的下方，然而配置于機(jī)箱的下方，容易造成風(fēng)流分布的不均勻，影響系統(tǒng)整體的散熱質(zhì)量。例如兩組風(fēng)扇中間的插槽的溫度，就可能因?yàn)轱L(fēng)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(tǒng)的規(guī)劃與配置。因而將風(fēng)扇配置于后機(jī)箱后方的新型設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，風(fēng)扇配置于機(jī)箱后方的設(shè)計(jì)，可帶來平均的風(fēng)流，改善溫度不均勻的問題。（見圖二）

 
圖一：將風(fēng)扇配置于機(jī)箱下方，兩風(fēng)扇間的風(fēng)流因?yàn)槭艿阶韪簦瑹o法提供平均的風(fēng)流。

 
圖二：將風(fēng)扇配置于機(jī)箱后方，可增加風(fēng)速，并提供平均的風(fēng)流。

然而，將風(fēng)扇配置于機(jī)箱后方，仍然有不同的作法考慮。其一為風(fēng)流“由后往前吸入式”，因?yàn)轱L(fēng)扇可直接吸入空氣的緣故，風(fēng)速可較高，但風(fēng)流的控制較為不易，再加上根據(jù)PXI規(guī)范所定義，風(fēng)流必須由下而上通過PXI模塊，如此一來，散熱的規(guī)劃勢必得透過機(jī)箱上方的開孔才得以實(shí)現(xiàn)，這對于嚴(yán)苛環(huán)境要求較高的環(huán)境，是比較不利的設(shè)計(jì)（見圖三）。相反的，假設(shè)風(fēng)流為“由前往后吸入式”，雖然風(fēng)扇距離吸入的空氣距離較遠(yuǎn)，風(fēng)速較低，但風(fēng)流的表現(xiàn)可以比較穩(wěn)定且易于控制。

 
圖三：風(fēng)流“由后往前吸入式”，散熱出孔必須通過系統(tǒng)上方。

流道的規(guī)劃
此外，風(fēng)扇的配置也需考慮流道的設(shè)計(jì)，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(dǎo)出，是設(shè)計(jì)機(jī)箱時極為重要的考慮點(diǎn)。以PXI/PXIe機(jī)箱的使用環(huán)境來說，大多的客戶會使用混合式的測試系統(tǒng)，將PXI/PXIe系統(tǒng)安裝于機(jī)柜中。如此一來，熱源的考慮將不單只是該P(yáng)XI/PXIe系統(tǒng)本身，而包含完整的混合式測試系統(tǒng)。就以剛剛提到的第一種，由后往前吸入式的風(fēng)扇配置的機(jī)箱，會將空氣吸入機(jī)箱本體，再導(dǎo)向機(jī)箱前方排出，然而因?yàn)闄C(jī)柜后方帶入的空氣，易混雜其他混和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱空氣，也會把PXI/PXIe機(jī)箱背板所產(chǎn)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(tǒng)的散熱。而第二款新型PXI/PXIe機(jī)箱的設(shè)計(jì)，則改采用后方風(fēng)扇由前往后吸入式的設(shè)計(jì)，將前方“干凈”的冷空氣，通過PXI模塊，引導(dǎo)至機(jī)箱后方排出，以避免上述的情況發(fā)生。（見圖四）

 
圖四：由前往后吸入式的機(jī)箱設(shè)計(jì)，可提供較干凈的流道，避免帶入不必要的熱源。

優(yōu)化開孔的設(shè)計(jì)
為了引導(dǎo)風(fēng)流散熱優(yōu)化，機(jī)箱開孔的規(guī)劃與設(shè)計(jì)也有其重要性。如何在安規(guī)限制與機(jī)構(gòu)的極限下，取得平衡，也考驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)箱的功力。新型PXI機(jī)箱不僅在前后對應(yīng)的位置開孔加強(qiáng)散熱外，包含兩側(cè)、前面板，均做了極大化的開孔設(shè)計(jì)。首先受到PXI規(guī)范的限制，風(fēng)流必須是由下往上散熱，所以能夠開孔的位置僅能在機(jī)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(jī)箱在不僅僅在前方下緣做了很多微小的開孔進(jìn)風(fēng)，在機(jī)箱的兩側(cè)下緣，也利用可能的空間，極大化了開孔設(shè)計(jì)。（見圖五）

 
圖五：機(jī)箱前下方與兩側(cè)下緣，均提供進(jìn)風(fēng)點(diǎn)。

風(fēng)扇性能與背壓的平衡
受到機(jī)箱先天空間環(huán)境的限制下，必須找出風(fēng)扇背壓與風(fēng)扇流量的優(yōu)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(fēng)扇的表現(xiàn)可以達(dá)到PQ曲線優(yōu)化。然而受到PXI/PXIe機(jī)箱空間限制的緣故，必須在不斷的計(jì)算與調(diào)整中，取得機(jī)箱背板的最佳斜率，以表現(xiàn)風(fēng)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(xué)問。在過去的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，很容易就忽略掉電源供應(yīng)模塊本身產(chǎn)生的熱源，也會影響PXI/PXIe機(jī)箱的性能。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，沒有將電源供應(yīng)模塊與機(jī)箱本身的熱流隔開，電源供應(yīng)模塊強(qiáng)制排氣的功能，會造成機(jī)箱的流場混亂。因而新款機(jī)箱必須能阻隔電源供應(yīng)模塊以及風(fēng)扇本身的熱流，甚至為電源供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立的開孔，以提供獨(dú)立的風(fēng)流。這些都是為了改善此現(xiàn)象所做的設(shè)計(jì)。（見圖六）

 
圖六：梯形部位顯示該電源供應(yīng)模塊擁有獨(dú)立的流場，同時左右也提供獨(dú)立的開孔散熱。

智能型監(jiān)控與自動調(diào)節(jié)
為了確保系統(tǒng)運(yùn)作時的穩(wěn)定性，智能型監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以提供保護(hù)與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的功能。PXI/PXIe機(jī)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(jiān)控機(jī)箱內(nèi)溫度的變化，透過程序的設(shè)定，在溫度高時，加快風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可有效確保系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性，并達(dá)到節(jié)能的效果。

PXI/PXIe移動運(yùn)算方案
為滿足PXI/PXIe量測系統(tǒng)移動運(yùn)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(shè)計(jì)?？蛻艨墒褂猛饨邮降钠聊绘I盤套件，將機(jī)柜型PXI/PXIe系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化成便攜型PXI/PXIe系統(tǒng)。這時如果PXI/PXIe機(jī)箱的散熱配置不當(dāng)，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(fēng)扇采用“由前往后吸入”的設(shè)計(jì)，在搭配便攜型套件時，將不會阻絕原有的散熱設(shè)計(jì)。并且，鍵盤底部可附上11mm墊片，使得電源供應(yīng)模塊的獨(dú)立的散熱設(shè)計(jì)可持續(xù)作用，大幅提升PXI/PXIe系統(tǒng)的便利性，而無需擔(dān)憂系統(tǒng)的穩(wěn)定。（見圖七）

 
圖七：便攜型屏幕鍵盤套件增加行動運(yùn)算的便利性

總結(jié)
PXI/PXIe機(jī)箱的設(shè)計(jì)并非單一考慮機(jī)箱本身的設(shè)計(jì)，必須和其他量測系統(tǒng)所使用環(huán)境一并搭配考慮，包含風(fēng)扇的配置、風(fēng)流的規(guī)劃、電源的選購，模塊優(yōu)化性能的提升等。凌華科技為PXI系統(tǒng)聯(lián)盟的協(xié)會董事會及最高等級會員，也是亞洲唯一的PXI產(chǎn)品的專業(yè)制造商。多年來相繼開發(fā)超過100個以上PXI產(chǎn)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(yè)界首款全混合式插槽的PXIe機(jī)箱，針對高性能高帶寬的PXI/PXIe模塊所設(shè)計(jì)。PXIS-2719A為19 槽3U智能型PXI 機(jī)箱，特別適合需要高容量PXI的量測與測試相關(guān)應(yīng)用。它們均采用最新PXI/PXIe機(jī)箱設(shè)計(jì)，為高穩(wěn)定高性能的系統(tǒng)首選。