基于高性能信息處理模塊的相變散熱技術研究

王苑瑾 張 賽 劉 兵 朱正鵬 楊文良

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

隨著集成電路技術的迅速發展，航天綜合電子系統功能與性能不斷提升[1]，大數據量高速處理與傳輸、實時操作系統、任務遷移與規劃等方面需求越發迫切，集成化、小型化及國產化設計成為綜合電子系統的發展趨勢[2-3]。

信息處理模塊作為綜合電子系統的核心控制模塊，輕量化、緊湊化及國產化設計會導致芯片產生的熱量集中并難以快速高效擴散[4-5]。溫度的迅速升高，導致元器件失效率指數增長[6]。工業領域采用的風冷、液冷等方式的散熱系統設計復雜，可靠性較低、維修性較差[7]，難以在航天領域中應用[8]。因此高功耗功能模塊熱設計成為亟待解決的技術難點[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行分析[10]，采用相變儲能散熱技術，設計一種具有大容量熱沉功能，高導熱率，快速實現能量轉化功能的小體積換熱模塊，短時快速吸收大量熱能，在要求的工作時間內，保證模塊穩定工作。同時通過熱仿真試驗及散熱性能測試試驗，驗證相變儲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現方案

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的核心控制模塊，完成數學方程計算、信息處理與IO控制、數據存儲、電壓監測、信息與數據交互、以太網總線協議和總線通信等功能。本模塊采用國產化處理器與SOC協同控制策略，其中國產化處理器工作主頻可達1GHz，具有DDR3存儲功能，支持大數據量高速處理與傳輸、實時操作系統、任務規劃與遷移和機器學習算法等。

信息處理模塊采用標準6U VPX結構，設計3組處理單元實現三冗余控制策略，同時支持SRIO、422通信、千兆以太網、GTX、開關量輸入和GPIO等接口，可實現數據與信息交互功能。

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，模塊硬件實物如圖1所示，在標準6U VPX結構尺寸下，實現3個處理器與3個SOC的硬件配置。

圖1 信息處理模塊硬件實物圖

處理單元是控制核心，每個信息處理單元分為供電區、存儲區、接口區、控制區及監測區5個功能區，如圖2所示。

圖2 處理單元硬件組成示意圖

1)供電區，對輸入電壓進行電壓轉換，提供各類元器件的工作電壓；

2)存儲區，為處理器與SOC芯片提供數據存儲空間，實現對圖像數據、計算數據及程序存儲；

3)控制區，是處理單元的核心部分，采用處理器與SOC協同控制方式，處理器運行實時操作系統及控制算法，對處理器中的兩個核及其資源進行統一管理，實現分區及遷移功能。SOC運行時間觸發以太網協議，實現總線控制、網絡通信調度管理、全網時間同步算法、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，支持開關量采集接口、千兆以太網通信接口等，可實現外部開關量控制功能、高速通信數據傳輸功能；

5)監測區，通過溫度傳感器與電壓測試模塊實現對高功耗芯片溫度與電壓情況實時監測功能。

1.3 信息處理模塊硬件功耗分析

根據1.2節描述，可以看出信息處理模塊高功耗芯片較為集中，因此需要設計功耗管控策略，在滿足工作需求的情況下，降低模塊發熱量。模塊設計工作模式與低功耗待機2種模式。1)工作模式：處理器、SOC處理器、千兆以太網芯片啟動并運行程序與操作系統；2)低功耗待機模式：通過軟件控制處理器、SOC處理器及千兆以太網芯片啟動芯片低功耗狀態。通過對信息處理模塊的實際測量與理論分析，在工作狀態下各個芯片的功耗分析如表1。

表1 芯片功耗情況統計

2 相變儲能模塊實現

2.1 相變儲能模塊設計與仿真

根據1.2節所述的信息處理模塊硬件組成情況及1.3節表1中的芯片功耗情況，結合信息處理模塊結構尺寸設計相變儲能模塊，并用熱仿真軟件FLOEFD進行熱仿真試驗。

相變儲能模塊采用鋁合金結構冷板外殼，內部填充自研相變工質，在高功耗處理器、SOC處理器與電源芯片處設計凸臺。仿真模型建立時將相變儲能模塊劃分為網格，網格數為120萬左右。初始溫度設置為25℃，模型如圖3所示。

圖3 相變儲能模塊模型

針對模型設置仿真條件：在室溫環境中，設備以最大功耗70W工作時，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，相變儲能模塊對芯片的控溫和散熱能力。

通過仿真結果，觀察處理器與SOC芯片的最高溫度隨時間的變化情況，具體數據如表2。

表2 芯片的最高溫度隨時間變化數據

芯片中的最高溫度出現在處理器2的位置，芯片溫度要求不超過75℃。由測試數據可知，該芯片最高溫度到達75℃的時間為加熱的第53min，到達85℃的時間為加熱的第62min。

由仿真可知，相變儲能模塊中的相變材料熔化率隨時間變化情況的具體數據如表3所示。

表3 相變材料熔化率隨時間變化數據

對比熔化率變化數據與芯片最高溫度變化數據，可以發現在相變材料開始融化時，芯片最高溫度變化幅度較小，進入平臺期。當相變材料熔化率較高時，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 相變儲能模塊工程實現

根據1.3節所述的信息處理模塊功耗情況統計及2.1節所述相變儲能模塊的仿真結果，同時考慮信息處理模塊的工作工況，即工作模式下，穩定可靠工作1小時。針對高功耗信息處理模塊散熱問題，設計相變材料與散熱冷板相結合的散熱方式，冷板外殼采用鋁合金結構，表面陽極氧化處理，內部填充自研相變工質，體積為233×160×20mm3，模塊內部相變工質中添加多孔介質以增加相變材料的導熱性能。同時在處理器、SOC處理器及電源轉換芯片處設計凸臺，將高功耗器件與散熱冷板充分接觸，提高導熱性能，相變儲能模塊實物如圖4所示。

圖4 相變儲能模塊實物

3 試驗與結果分析

3.1 散熱性能測試試驗平臺設計與搭建

針對相變儲能模塊散熱性能測試試驗，驗證模塊對芯片的控溫和散熱能力。試驗平臺主要由以下設備組成(表4)。

表4 試驗設備明細表

本次測試實驗模擬相變模塊在表1所示2種模式下，即實際工作模式、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 加熱片的相關參數

圖6 測試工件

考慮到A組芯片的功率較高，產生的熱量最多，同時尺寸最小，造成局部熱流密度大，需要重點監測其附近的溫度變化。測溫時，只需測A組芯片臺階附近的溫度，即設置3個凸臺處3個測溫點A1、A2和A3，測溫點位置如圖7所示。

圖7 測溫點位置

3.2 試驗結果分析

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

圖8 實際工作模式溫升曲線(48W)

根據圖8可以得出，當過了40min后，溫度上升趨勢趨于穩定，溫度最高點在測點A1處，溫度為54.9℃；溫度最低點在測點A2處，溫度為46.9℃。過了115min后，溫度上升趨勢加快，溫度最高點在測點A1處，溫度為70.1℃；溫度最低點在測點A2處，溫度為60.2℃。

圖9 最大功耗模式溫升曲線(70W)

根據圖9可以得出，當過了40min后，溫度上升趨勢趨于穩定，溫度最高點在測點A1處，溫度為62.2℃；溫度最低點在測點A2處，溫度為56℃。過了75min后，溫度上升趨勢加快，溫度最高點在測點A1處，溫度為73.4℃；溫度最低點在測點A2處，溫度為65.8℃。

對上述2種工作模式的溫升曲線數據進行分析，可以得出以下結論：

1)本測試試驗通過模擬實際工作模式與最大功耗模式的工況，在設計的散熱結構中相變材料未達到相變溫度時，相變儲能模塊溫度隨時間上升迅速；當達到相變材料的相變溫度時，相變儲能模塊溫度上升速度放緩并逐漸維持穩定；

2)在實際工作模式(48W)情況下，本次設計的散熱結構能夠保證工件實際連續工作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2h10min，工件表面溫度升至85℃用時2h30min。測試期間工件未出現損壞；

3)在最大功耗模式(70W)情況下，本次設計的散熱結構能夠保證工件實際連續工作30min使其溫度不超過55℃，滿足設計要求。在本次測試中，工件表面溫度上升至75℃用時1h20min，工件表面溫度升至85℃用時1h35min。測試期間工件未出現損壞。

與2.1節仿真試驗結果對比，測試出現誤差，主要有2點原因：

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

2)模擬真實情況，散熱性能測試試驗中選用了可調加熱片，但難以保證實際功耗一直穩定達到仿真時的理想數值，僅能評估平均功耗，造成一定的測試誤差。

4 結論

針對高功耗信息處理模塊的元器件布局、功耗特性、結構特點及工作溫度，提出一種基于相變材料的散熱解決方案。采用相變儲能散熱技術，設計一種具有大容量熱沉功能，高導熱率的相變儲能模塊。通過仿真試驗與散熱性能測試試驗，驗證相變儲能模塊在實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用于新一代運載火箭電氣產品中，為航天產品散熱技術的發展，提供了有力的技術支撐。