厚物科技《如何实现PXIe/PXI机箱的散热设计》

前言

PXIe/PXI系统是追求稳定度与严苛环境的量测与自动化测试系统的最佳平台。系统散热的设计，对于系统的稳定度扮演重要的角色，包含风流与流场的规划，该如何避免气流通道吸入不必要的热源？如何将散热孔在安规的限制下取得最优化的平衡；如何配置风扇，以取得风扇最佳性能？以及如何规划电源供应模块的空间配置，以提供独立的流场？以上种种，都会是影响PXIe/PXI系统散热的要素。本文将带您了解系统散热设计的秘诀，以挑选最适合的PXIe/PXI系统。

PXIe/PXI系统设计的限制

PXIe/PXI机箱的设计首要考虑PXIe/PXI模块配置的方向。模块插卡的方向会直接影响风流的走向。一般市场上最常见的是以4U高的PXIe/PXI机箱，搭载3U PXIe/PXI模块卡片，卡片大多是直立式插放配置于4U PXIe/PXI机箱中。在如此有限的空间下，散热的设计，以保持系统的稳定度，是系统设计者的一大挑战。

风扇配置的考虑

一般说来，PXIe/PXI机箱风扇配置的位置有两种，分别为“下方式”或“后方式”。传统风扇大多配置于机箱的下方，然而配置于机箱的下方，容易造成风流分布的不均匀，影响系统整体的散热质量。例如两组风扇中间的插槽的温度，就可能因为风流不平均的缘故，温度因而高于其他插槽（见图1）。如此一来将不利于系统的规划与配置。因而将风扇配置于后机箱后方的新型设计应运而生，风扇配置于机箱后方的设计，可带来平均的风流，改善温度不均匀的问题（见图2）。

图1：将风扇配置于机箱下方，两风扇间的风流因为受到阻隔，无法提供平均的风流。

图2：将风扇配置于机箱后方，可增加风速，并提供平均的风流。

然而，将风扇配置于机箱后方，仍然有不同的做法考虑。其一为风流“由后往前吸入式”，因为风扇可直接吸入空气的缘故，风速可较高，但风流的控制较为不易，再加上根据PXI规范所定义，风流必须由下而上通过PXI模块，如此一来，散热的规划势必得透过机箱上方的开孔才得以实现，这对于严苛环境要求较高的环境，是比较不利的设计（见图3）。相反，假设风流为“由前往后吸入式”，虽然风扇距离吸入的空气距离较远，风速较低，但风流的表现可以比较稳定且易于控制。

图3：风流“由后往前吸入式”，散热出孔必须通过系统上方。

流道的规划
此外，风扇的配置也需考虑流道的设计，如何避开客户使用时可能遭遇到的热源，将冷空气顺利导出，是设计机箱时极为重要的考虑点。以PXIe/PXI机箱的使用环境来说，大多的客户会使用混合式的测试系统，将PXIe/PXI系统安装于机柜中。如此一来，热源的考虑将不单只是该PXIe/PXI系统本身，而包含完整的混合式测试系统。就以刚刚提到的第一种，由后往前吸入式的风扇配置的机箱，会将空气吸入机箱本体，再导向机箱前方排出，然而因为机柜后方带入的空气，易混杂其他混和系统所产生的热空气，也会把PXIe/PXI机箱背板所产生的热，一并带入置于前方的PXIe/PXI模块中，反而不利整体系统的散热。而第二种新型PXIe/PXI机箱的设计，则改采用后方风扇由前往后吸入式的设计，将前方“干净”的冷空气，通过PXI模块，引导至机箱后方排出，以避免上述的情况发生（见图4）。

图4：由前往后吸入式的机箱设计，可提供较干净的流道，避免带入不必要的热源。

优化开孔的设计
为了引导风流散热优化，机箱开孔的规划与设计也有其重要性。如何在安规限制与机构的极限下，取得平衡，也考验设计机箱的功力。新型PXIe/PXI机箱不仅在前后对应的位置开孔加强散热外，包含两侧、前面板，均做了极大化的开孔设计。首先受到PXIe/PXI规范的限制，风流必须是由下往上散热，所以能够开孔的位置仅能在机箱的下方，就高度而言，考虑到PXIe/PXI模块的高度限制，开孔的上缘不得超过PXIe/PXI模块的下缘位置，在如此有限的空间下，新款PXIe/PXI机箱在不仅仅在前方下缘做了很多微小的开孔进风，在机箱的两侧下缘，也利用可能的空间，极大化了开孔设计（见图5）。

图5：机箱前下方与两侧下缘，均提供进风点。

风扇性能与背压的平衡
受到机箱先天空间环境的限制下，必须找出风扇背压与风扇流量的优化配置。最理想的状况是拥有平滑的曲线距离以及较长的距离，让风扇的表现可以达到PQ曲线优化。然而受到PXIe/PXI机箱空间限制的缘故，必须在不断的计算与调整中，取得机箱背板的最佳斜率，以表现风扇最佳性能。

电源模块配置的考虑
电源模块的选择与配置也是一门学问。在过去的系统设计中，很容易就忽略掉电源供应模块本身产生的热源，也会影响PXIe/PXI机箱的性能。在传统设计中，没有将电源供应模块与机箱本身的热流隔开，电源供应模块强制排气的功能，会造成机箱的流场混乱。因而新款机箱必须能阻隔电源供应模块以及风扇本身的热流，甚至为电源供应模块设计独立的开孔，以提供独立的风流。这些都是为了改善此现象所做的设计（见图6）。

图6：梯形部位显示该电源供应模块拥有独立的流场，同时左右也提供独立的开孔散热。

智能型监控与自动调节
为了确保系统运作时的稳定性，智能型监控系统的设计，可以提供保护与系统调节的功能。PXIe/PXI机箱可通过传感器的配置，例如在PXIe/PXI背板上方配置的传感器，以监控机箱内温度的变化，透过程序的设定，在温度高时，加快风扇的转速，可有效确保系统运作的稳定性，并达到节能的效果（见图7）。

图7：厚物科技HW-1363i支持PWM风扇自适应转速控制，根据机箱内部温度高低风扇自适应调整转速对PXIe/PXI控制器及模块进行散热。

PXIe/PXI便携式测控系统平台
为满足外场便携式测控系统的需求，可采用专业的PXIe/PXI便携式测控平台方案，对用户来说，这些成熟的标准货架品，散热设计很专业，确保电源、PXIe/PXI控制器及模块都得到良好的散热，在大幅提升PXIe/PXI测控系统的便利性同时，客户无需担忧测控系统的稳定性（见图8）。