王苑瑾 張 賽 劉 兵 朱正鵬 楊文良

1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854 2.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第四軍事代表室，北京100854

隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，航天綜合電子系統(tǒng)功能與性能不斷提升[1]，大數(shù)據(jù)量高速處理與傳輸、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、任務(wù)遷移與規(guī)劃等方面需求越發(fā)迫切，集成化、小型化及國產(chǎn)化設(shè)計(jì)成為綜合電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2-3]。

信息處理模塊作為綜合電子系統(tǒng)的核心控制模塊，輕量化、緊湊化及國產(chǎn)化設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生的熱量集中并難以快速高效擴(kuò)散[4-5]。溫度的迅速升高，導(dǎo)致元器件失效率指數(shù)增長[6]。工業(yè)領(lǐng)域采用的風(fēng)冷、液冷等方式的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，可靠性較低、維修性較差[7]，難以在航天領(lǐng)域中應(yīng)用[8]。因此高功耗功能模塊熱設(shè)計(jì)成為亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)[9]。

本文針對高性能信息處理模塊的元器件布局、功耗特性及工作溫度進(jìn)行分析[10]，采用相變儲(chǔ)能散熱技術(shù)，設(shè)計(jì)一種具有大容量熱沉功能，高導(dǎo)熱率，快速實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化功能的小體積換熱模塊，短時(shí)快速吸收大量熱能，在要求的工作時(shí)間內(nèi)，保證模塊穩(wěn)定工作。同時(shí)通過熱仿真試驗(yàn)及散熱性能測試試驗(yàn)，驗(yàn)證相變儲(chǔ)能模塊對高功耗芯片的控溫能力。

1 高性能信息處理模塊實(shí)現(xiàn)方案

1.1 信息處理模塊的基本功能

信息處理模塊作為綜合電子系統(tǒng)的核心控制模塊，完成數(shù)學(xué)方程計(jì)算、信息處理與IO控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電壓監(jiān)測、信息與數(shù)據(jù)交互、以太網(wǎng)總線協(xié)議和總線通信等功能。本模塊采用國產(chǎn)化處理器與SOC協(xié)同控制策略，其中國產(chǎn)化處理器工作主頻可達(dá)1GHz，具有DDR3存儲(chǔ)功能，支持大數(shù)據(jù)量高速處理與傳輸、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃與遷移和機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。

信息處理模塊采用標(biāo)準(zhǔn)6U VPX結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)3組處理單元實(shí)現(xiàn)三冗余控制策略，同時(shí)支持SRIO、422通信、千兆以太網(wǎng)、GTX、開關(guān)量輸入和GPIO等接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息交互功能。

1.2 信息處理模塊硬件組成

信息處理模塊由3組處理單元組成，模塊硬件實(shí)物如圖1所示，在標(biāo)準(zhǔn)6U VPX結(jié)構(gòu)尺寸下，實(shí)現(xiàn)3個(gè)處理器與3個(gè)SOC的硬件配置。

圖1 信息處理模塊硬件實(shí)物圖

處理單元是控制核心，每個(gè)信息處理單元分為供電區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、接口區(qū)、控制區(qū)及監(jiān)測區(qū)5個(gè)功能區(qū)，如圖2所示。

圖2 處理單元硬件組成示意圖

1)供電區(qū)，對輸入電壓進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，提供各類元器件的工作電壓；

2)存儲(chǔ)區(qū)，為處理器與SOC芯片提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)；

3)控制區(qū)，是處理單元的核心部分，采用處理器與SOC協(xié)同控制方式，處理器運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及控制算法，對處理器中的兩個(gè)核及其資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)分區(qū)及遷移功能。SOC運(yùn)行時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)總線控制、網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度管理、全網(wǎng)時(shí)間同步算法、故障檢測等功能。處理器與SOC之間支持422通信、PCIE通信等接口；

4)接口區(qū)，支持開關(guān)量采集接口、千兆以太網(wǎng)通信接口等，可實(shí)現(xiàn)外部開關(guān)量控制功能、高速通信數(shù)據(jù)傳輸功能；

5)監(jiān)測區(qū)，通過溫度傳感器與電壓測試模塊實(shí)現(xiàn)對高功耗芯片溫度與電壓情況實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

1.3 信息處理模塊硬件功耗分析

根據(jù)1.2節(jié)描述，可以看出信息處理模塊高功耗芯片較為集中，因此需要設(shè)計(jì)功耗管控策略，在滿足工作需求的情況下，降低模塊發(fā)熱量。模塊設(shè)計(jì)工作模式與低功耗待機(jī)2種模式。1)工作模式：處理器、SOC處理器、千兆以太網(wǎng)芯片啟動(dòng)并運(yùn)行程序與操作系統(tǒng)；2)低功耗待機(jī)模式：通過軟件控制處理器、SOC處理器及千兆以太網(wǎng)芯片啟動(dòng)芯片低功耗狀態(tài)。通過對信息處理模塊的實(shí)際測量與理論分析，在工作狀態(tài)下各個(gè)芯片的功耗分析如表1。

表1 芯片功耗情況統(tǒng)計(jì)

2 相變儲(chǔ)能模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 相變儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)1.2節(jié)所述的信息處理模塊硬件組成情況及1.3節(jié)表1中的芯片功耗情況，結(jié)合信息處理模塊結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)相變儲(chǔ)能模塊，并用熱仿真軟件FLOEFD進(jìn)行熱仿真試驗(yàn)。

相變儲(chǔ)能模塊采用鋁合金結(jié)構(gòu)冷板外殼，內(nèi)部填充自研相變工質(zhì)，在高功耗處理器、SOC處理器與電源芯片處設(shè)計(jì)凸臺(tái)。仿真模型建立時(shí)將相變儲(chǔ)能模塊劃分為網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為120萬左右。初始溫度設(shè)置為25℃，模型如圖3所示。

圖3 相變儲(chǔ)能模塊模型

針對模型設(shè)置仿真條件：在室溫環(huán)境中，設(shè)備以最大功耗70W工作時(shí)，芯片溫度不超過75℃(控制最高工作溫度85℃以下的10℃)?？紤]芯片與凸臺(tái)之間的接觸熱阻并且對外換熱情況為絕熱。通過仿真，可評估出在添加相變材料后，相變儲(chǔ)能模塊對芯片的控溫和散熱能力。

通過仿真結(jié)果，觀察處理器與SOC芯片的最高溫度隨時(shí)間的變化情況，具體數(shù)據(jù)如表2。

表2 芯片的最高溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)

芯片中的最高溫度出現(xiàn)在處理器2的位置，芯片溫度要求不超過75℃。由測試數(shù)據(jù)可知，該芯片最高溫度到達(dá)75℃的時(shí)間為加熱的第53min，到達(dá)85℃的時(shí)間為加熱的第62min。

由仿真可知，相變儲(chǔ)能模塊中的相變材料熔化率隨時(shí)間變化情況的具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 相變材料熔化率隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)

對比熔化率變化數(shù)據(jù)與芯片最高溫度變化數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在相變材料開始融化時(shí)，芯片最高溫度變化幅度較小，進(jìn)入平臺(tái)期。當(dāng)相變材料熔化率較高時(shí)，芯片最高溫度上升速度明顯變快，可見相變材料對于芯片最高溫度起到了較好的控制作用。

2.2 相變儲(chǔ)能模塊工程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)1.3節(jié)所述的信息處理模塊功耗情況統(tǒng)計(jì)及2.1節(jié)所述相變儲(chǔ)能模塊的仿真結(jié)果，同時(shí)考慮信息處理模塊的工作工況，即工作模式下，穩(wěn)定可靠工作1小時(shí)。針對高功耗信息處理模塊散熱問題，設(shè)計(jì)相變材料與散熱冷板相結(jié)合的散熱方式，冷板外殼采用鋁合金結(jié)構(gòu)，表面陽極氧化處理，內(nèi)部填充自研相變工質(zhì)，體積為233×160×20mm3，模塊內(nèi)部相變工質(zhì)中添加多孔介質(zhì)以增加相變材料的導(dǎo)熱性能。同時(shí)在處理器、SOC處理器及電源轉(zhuǎn)換芯片處設(shè)計(jì)凸臺(tái)，將高功耗器件與散熱冷板充分接觸，提高導(dǎo)熱性能，相變儲(chǔ)能模塊實(shí)物如圖4所示。

圖4 相變儲(chǔ)能模塊實(shí)物

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 散熱性能測試試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與搭建

針對相變儲(chǔ)能模塊散熱性能測試試驗(yàn)，驗(yàn)證模塊對芯片的控溫和散熱能力。試驗(yàn)平臺(tái)主要由以下設(shè)備組成(表4)。

表4 試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)表

本次測試實(shí)驗(yàn)?zāi)M相變模塊在表1所示2種模式下，即實(shí)際工作模式、最大功耗模式，對芯片的控溫和散熱能力。通過定功率加熱控制電源提供加熱功率至加熱片處，模擬48W實(shí)際工作功耗及70W最大功耗的加熱功率，加熱片擺放位置如圖5所示,各散熱片參數(shù)如表5所示,測試工件如圖6所示。

圖5 各加熱片擺放位置

表5 加熱片的相關(guān)參數(shù)

圖6 測試工件

考慮到A組芯片的功率較高，產(chǎn)生的熱量最多，同時(shí)尺寸最小，造成局部熱流密度大，需要重點(diǎn)監(jiān)測其附近的溫度變化。測溫時(shí)，只需測A組芯片臺(tái)階附近的溫度，即設(shè)置3個(gè)凸臺(tái)處3個(gè)測溫點(diǎn)A1、A2和A3，測溫點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 測溫點(diǎn)位置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將加熱片用導(dǎo)熱硅脂和耐高溫膠帶固定在芯片凸臺(tái)上，并用毛氈貼合在加熱片上(保溫作用)；連接電源并在每5min進(jìn)行一次溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，2種工作模式的測試結(jié)果如圖8和9所示。

圖8 實(shí)際工作模式溫升曲線(48W)

根據(jù)圖8可以得出，當(dāng)過了40min后，溫度上升趨勢趨于穩(wěn)定，溫度最高點(diǎn)在測點(diǎn)A1處，溫度為54.9℃；溫度最低點(diǎn)在測點(diǎn)A2處，溫度為46.9℃。過了115min后，溫度上升趨勢加快，溫度最高點(diǎn)在測點(diǎn)A1處，溫度為70.1℃；溫度最低點(diǎn)在測點(diǎn)A2處，溫度為60.2℃。

圖9 最大功耗模式溫升曲線(70W)

根據(jù)圖9可以得出，當(dāng)過了40min后，溫度上升趨勢趨于穩(wěn)定，溫度最高點(diǎn)在測點(diǎn)A1處，溫度為62.2℃；溫度最低點(diǎn)在測點(diǎn)A2處，溫度為56℃。過了75min后，溫度上升趨勢加快，溫度最高點(diǎn)在測點(diǎn)A1處，溫度為73.4℃；溫度最低點(diǎn)在測點(diǎn)A2處，溫度為65.8℃。

對上述2種工作模式的溫升曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1)本測試試驗(yàn)通過模擬實(shí)際工作模式與最大功耗模式的工況，在設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)中相變材料未達(dá)到相變溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能模塊溫度隨時(shí)間上升迅速；當(dāng)達(dá)到相變材料的相變溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能模塊溫度上升速度放緩并逐漸維持穩(wěn)定；

2)在實(shí)際工作模式(48W)情況下，本次設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)能夠保證工件實(shí)際連續(xù)工作30min使其溫度不超過50℃。在本次測試中，工件表面溫度上升至75℃用時(shí)2h10min，工件表面溫度升至85℃用時(shí)2h30min。測試期間工件未出現(xiàn)損壞；

3)在最大功耗模式(70W)情況下，本次設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)能夠保證工件實(shí)際連續(xù)工作30min使其溫度不超過55℃，滿足設(shè)計(jì)要求。在本次測試中，工件表面溫度上升至75℃用時(shí)1h20min，工件表面溫度升至85℃用時(shí)1h35min。測試期間工件未出現(xiàn)損壞。

與2.1節(jié)仿真試驗(yàn)結(jié)果對比，測試出現(xiàn)誤差，主要有2點(diǎn)原因：

1)相變儲(chǔ)能模塊采用工質(zhì)為多組分混合，相變潛熱譜帶較寬，為確保在極限條件下穩(wěn)定工作，仿真中采用了最低相變潛熱值進(jìn)行仿真，造成了一定仿真誤差；

2)模擬真實(shí)情況，散熱性能測試試驗(yàn)中選用了可調(diào)加熱片，但難以保證實(shí)際功耗一直穩(wěn)定達(dá)到仿真時(shí)的理想數(shù)值，僅能評估平均功耗，造成一定的測試誤差。

4 結(jié)論

針對高功耗信息處理模塊的元器件布局、功耗特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作溫度，提出一種基于相變材料的散熱解決方案。采用相變儲(chǔ)能散熱技術(shù)，設(shè)計(jì)一種具有大容量熱沉功能，高導(dǎo)熱率的相變儲(chǔ)能模塊。通過仿真試驗(yàn)與散熱性能測試試驗(yàn)，驗(yàn)證相變儲(chǔ)能模塊在實(shí)際功耗模式與最大功耗模式的情況下，對高功耗芯片的控溫和散熱能力，有效滿足高功耗信息處理模塊的散熱要求。目前，該散熱解決方案已應(yīng)用于新一代運(yùn)載火箭電氣產(chǎn)品中，為航天產(chǎn)品散熱技術(shù)的發(fā)展，提供了有力的技術(shù)支撐。