ПРЕСС-ЦЕНТР

Методы кондуктивного охлаждения для защищённых компьютеров

МКА: мир ВКТ 6/2008

Серж Тиссо (Serge Tissot), Kontron Modular Computers SAS

Кондуктивное охлаждение встроенных компьютерных систем традиционно используется там, где невозможно организовать воздушное охлаждение. Стандартизация технологий в этой области расширяет возможности функциональной совместимости готовых к применению коммерческих модулей. Постоянное развитие методов кондуктивного охлаждения гарантирует их соответствие высоким требованиям рынка к теплорассеянию и понижение цены.

Основания для использования кондуктивного охлаждения

Традиционно данный метод охлаждения применялся для плат и систем, где невозможно было организовать воздушное охлаждение – в космических применениях из-за недостаточного количества или полного отсутствия воздуха в окружающей среде, в оборонном секторе из-за исключительно высоких требований к надёжности систем, которая может оказаться под вопросом вследствие использования движущихся частей при принудительном охлаждении.

Системы, предназначенные для эксплуатации в суровых климатических условиях также выиграют от применения кондуктивного охлаждения. Например, в условиях работы с расширенным температурным диапазоном (-40°С - + 85°С) необходим оптимизированный отвод тепла для снижения разницы температур кристаллов и окружающей среды. В то же время высокие требования к вибро- и удароустойчивости делают невозможным использование принудительного воздушного охлаждения внутри системы.

Другая область применения, где описываемый метод охлаждения крайне полезен – разработка и производство систем в виде герметично запаянных боксов для защиты электронных компонентов от пыли и загрязнений, например, керосиновыми парами.

Коммерческое использование модульных компьютеров с кондуктивным охлаждением

Механические схемы VME-модулей с кондуктивным охлаждением для серийного производства были стандартизированы в 1992 году по спецификации IEEE 1101.2-1992, что гарантировало их функциональную совместимость и возможность использования в инфраструктурах общего пользования. Благодаря появлению этого стандарта, можно не беспокоиться о совместимости модулей и корпусов, приобретённых у различных поставщиков.

Спецификация IEEE 1101.2-1992 определяет, в основном, физические размеры и тепловые интерфейсы модулей формата VME и других, в том числе CompactPCI. Изначально отвод тепла на корпус планировалось осуществлять от основания печатной платы вдоль направляющих. В печатную плату встраивался проводящий слой, служащий для отвода тепла к краям платы.

Повышение требований к рассеиванию тепла привело к изменению конструкции печатной платы: в современных системах теплоотводящий слой часто заменяется алюминиевой пластиной, полностью покрывающей плату сверху. Все электронные компоненты, имеющие прямой контакт, покрываются термальной пастой.

Такой метод, иногда называемый раггедизацией (ruggedizer), повышает не только тепловые характеристики модуля, но и его устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, что позволяет производителям предлагать один и тот же электронный формат в двух версиях: стандартной и с кондуктивным охлаждением. Единственный недостаток стандартной версии – это невозможность размещения электронных компонентов платы близко к направляющим. На рис. 1 показана плата PowerEngine7 производства Контрон с тактовой частотой до 1 Ггц, как пример раггедайзера, совместимого со стандартом IEEE 1101.2

Рис.1. Плата с кондуктивным охлаждением PowerEngine7 от Kontron, соответствующая стандарту IEEEStd 1101.2


Модуль закрепляется внутри корпуса при помощи стандартных клиновых зажимов, расположенных вдоль направляющих и создающих давление на термальный интерфейс между теплоотводящей пластиной и направляющей, что улучшает тепловые характеристики системы.

Помимо уже упомянутого IEEE 1101.2 существуют и другие международные стандарты для кондуктивного охлаждения модульных компьютеров – VITA 47 и VITA 20 (ANSI/VITA 47-2005[R2007]). Эти стандарты определяют различные уровни нагрузки для плат с воздушным, кондуктивным, жидкостным охлаждением и охлаждением методом полива. Стоит также упомянуть стандарты VITA 48 и VITA 46 для VPX и VITA 57 для FMC мезонинов.

Спецификация ANSI/VITA 47-2005[R2007] описывает правила кондуктивного охлаждения для PMC мезонинов и материнских плат PCI. Тепло от мезонина передаётся на материнскую плату через две обязательные пластины и два опциональных теплоотводящих ребра, как показано на рис. 2 на примере графического модуля Kontron XMC-G72. Этот мезонин, спроектированный под использование в воздухо- и конвективно-охлаждаемой среде, обеспечивает уникальное использование двух мониторов на базе графического процессора ATI HD2400.

Рис.2. Графический РМС-мезонин KontronXMC-G72

Усовершенствование методов кондуктивного охлаждения

Для уменьшения затрат на испытания и хранение материально-производственных запасов модули, предлагаемые с обеими версиями охлаждения, часто реализуются на основе печатных плат так называемой смешанной конструкции. На рис. 3 представлена процессорная плата Kontron ITC-320, выполненная в форм-факторе 3U CPCI. На ней могут быть установлены двухъядерные процессоры Intel Core2 Duo, Core Duo или одноядерный Intel Celeron M. Часть зажимного механизма находится внутри термального стока. Тепловое сопротивление уменьшается вдоль стока к корпусу из-за увеличения канала, способного отводить тепло. Другими словами, такая конструкция позволяет располагать электронные компоненты достаточно близко к краям платы по причине улучшения кондуктивности.

Рис.3. Плата KontronITC-320 на базе процессора IntelCore2 Duo


Рассеяние тепла с использованием телоотводящих трубок

Хороший эффект рассеяния термической плотности в условиях кодуктивного охлаждения дают теплоотводящие трубки. На рис. 4 изображена процессорная плата Kontron PowerBoard5 с двумя 64-битовыми процессорами PowerPC с такой схемой охлаждения.

Тепло, выделяемое при работе каждым процессором и характеризующееся высокой термической плотностью, отводится при помощи двух трубок по обеим сторонам платы. Важнейшим преимуществом такого метода считается высочайший коэффициент теплопроводности по сравнению с пассивной металлической пластиной. Кроме того, трубки снабжены свободно вращающимися медными наконечниками, что позволяет точно присоединить их к теплоотводящей пластине и избежать потери тепла на термальном интерфейсе.

Симметричное по отношению к пластине расположение теплоотводящих трубок уменьшает чувствительность конструкции к силе тяготения и ускорению. Независимо от расположения платы неэффективная работа одной из трубок под воздействием центробежной силы или ускорения компенсируется более интенсивной работой второй трубки. Эффект компенсирования был зарегистрирован во время испытаний системы в центрифуге.

К дополнительным преимуществам использования конструкции с теплоотводящими трубками относится возможность подвести к изделию необходимое для начала его работы количество тепла перед подачей напряжения на плату. Если плата хранилась при низкой температуре, жидкость внутри трубок застывает, а нагреть пластину при помощи внешнего воздействия проще, когда термальный канал к холодной стене заблокирован.

Рис. 4. Процессорная плата KontronPowerBoard5 с двумя 64-битовыми процессорами PowerPC, работающими на частоте 1,6 Ггц в кондуктивно охлаждаемой среде