作者：IVAN STRAZNICKY，DAVID VOS

商用現(xiàn)貨 （COTS） 系統(tǒng)開發(fā)人員面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)是平衡競(jìng)爭(zhēng)方法，以減小系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C），同時(shí)嘗試部署最現(xiàn)代的技術(shù)。如今，系統(tǒng)集成商正面臨著實(shí)現(xiàn)這種平衡的迅速縮小的余地。雖然設(shè)備的功率和密度有所增加，但平臺(tái)環(huán)境邊界條件并未改變。結(jié)果是利潤(rùn)越來(lái)越小。唯一的選擇：更有效地從系統(tǒng)中去除熱量。

雖然已部署系統(tǒng)的熱管理變得越來(lái)越困難，但平臺(tái)的重量限制也越來(lái)越嚴(yán)重。許多現(xiàn)代平臺(tái)，如旋轉(zhuǎn)升降直升機(jī)和無(wú)人駕駛飛行器（UAV），越來(lái)越受到重量限制，系統(tǒng)上每增加一磅就會(huì)影響任務(wù)持續(xù)時(shí)間和航程。

隨著系統(tǒng)集成商在處理SWaP-C時(shí)受到來(lái)自各個(gè)方向的擠壓，有一些好消息。最近批準(zhǔn)的 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) ANSI/VITA 48.8-2017“使用氣流通過(guò)冷卻的電子 VPX 插入式模塊的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)”（ANSI/VITA 48.8）代表了一種使用空氣流通 （AFT） 技術(shù)冷卻嵌入式系統(tǒng)的方法，該技術(shù)顯著降低了已部署電子設(shè)備的 SWaP-C，同時(shí)提高了航空電子系統(tǒng)的可靠性并能夠部署更熱的現(xiàn)代設(shè)備。由于使用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)-冷卻方法冷卻當(dāng)今較熱模塊的能力變得不那么可行，VITA 48.8 大大拓寬了熱管理裕度，同時(shí)為液體冷卻所需的復(fù)雜性和基礎(chǔ)設(shè)施提供了更好的系統(tǒng)平臺(tái)替代方案。

VITA 48.8 是首個(gè)支持小型 3U VPX COTS 模塊的開放標(biāo)準(zhǔn) AFT 技術(shù)，這些模塊是 SWaP-C 敏感旋翼機(jī)和無(wú)人平臺(tái)的首選。VITA 48.8 基于洛克希德馬丁旋轉(zhuǎn)和任務(wù)系統(tǒng)公司開發(fā)的技術(shù)，通過(guò)消除楔形鎖和彈出器/噴油器手柄的使用，有助于減輕高密度、高功率耗散 3U 和 6U 模塊系統(tǒng)的重量和成本。它還支持其他氣流布置，允許在兩個(gè)卡邊緣進(jìn)氣。由于 VITA 48.8 不使用模塊到機(jī)箱傳導(dǎo)冷卻，它還有望幫助推動(dòng)新型輕質(zhì)聚合物或復(fù)合材料底盤的創(chuàng)新使用。（圖 1 和圖 2。ANSI/VITA 48.8 標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)了以前對(duì) AFT 冷卻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如壓降、飛行高度、空氣冷卻、氣流進(jìn)氣、熱交換和排氣路徑。符合 ANSI/VITA 48.8 標(biāo)準(zhǔn)的模塊使用位于組件中央部分的翅片式熱交換器框架來(lái)對(duì)主電路板和夾層板組件進(jìn)行頂部冷卻。

圖 1：和圖 2：傳統(tǒng)的傳導(dǎo)冷卻（圖 1）方法對(duì)于當(dāng)今運(yùn)行較熱的模塊來(lái)說(shuō)變得不太可行。符合 VITA 48.8 標(biāo)準(zhǔn)的 AFT 模塊使用位于組件中央部分的翅片式熱交換器框架來(lái)對(duì)主電路板和夾層板組件進(jìn)行頂部冷卻（圖 2）。

在系統(tǒng)和平臺(tái)層面，與實(shí)施液體冷卻所需的基礎(chǔ)設(shè)施相比，VITA 48.8 AFT 方法的主要優(yōu)勢(shì)是尺寸和重量更小。在電子模塊級(jí)別，主要優(yōu)勢(shì)是大大改善了熱管理。與模塊傳導(dǎo)冷卻 （VITA 48.2） 或底盤液體冷卻替代方案相比，VITA 48.8 使系統(tǒng)集成商能夠?qū)⒖刹渴鹪诮o定底盤中的電子功能密度提高近一倍，甚至將每架飛機(jī)的整體航空電子設(shè)備重量減輕數(shù)百磅。對(duì)于作戰(zhàn)人員來(lái)說(shuō)，VITA 48.8提供的SWaP-C的減少可以顯著增加任務(wù)范圍，有效載荷和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為新功能提供前所未有的計(jì)算能力水平。

VITA 48.8 保留了物理定律

VITA 48.8 對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如此引人注目的主要原因是：設(shè)備和模塊的功率和熱量正在上升，您無(wú)法違反物理定律。在過(guò)去的 20 或 30 年中，隨著傳導(dǎo)冷卻成為大多數(shù)最熱門的基于 VME 和 VPX 的系統(tǒng)的方法，基本目標(biāo)是能夠有效地將 50 W 卡冷卻到平臺(tái)環(huán)境。如今，在主機(jī)卡上安裝50 W處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）或通用圖形處理器單元（GPGPU）設(shè)備已經(jīng)司空見慣。

現(xiàn)在考慮添加夾層卡：越來(lái)越有可能找到一個(gè)托管 50 W XMC 卡的 100 W 3U VPX 模塊。不幸的是，使用 VITA 48.2 冷卻組合主機(jī)和夾層卡產(chǎn)生的 150 W 功率是不可行的。這是因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)為 85 °C 卡邊緣的 3U 主機(jī)卡承載夾層時(shí)，夾層安裝點(diǎn)不可能保持 85 °C。物理學(xué)說(shuō)，夾層卡的溫度必須高于主機(jī)卡邊緣的溫度。

對(duì)于情報(bào)、監(jiān)視和偵察 （ISR） 平臺(tái)的典型實(shí)時(shí)確定性應(yīng)用，保持 85 °C 卡邊緣的挑戰(zhàn)至關(guān)重要?？紤] FPGA 器件隨溫度變化的功耗。如果FPGA的85°C結(jié)溫上升到100°C，實(shí)際電流消耗將上升30%，從而導(dǎo)致非線性功耗和潛在的熱失控情況。為了避免熱失控，許多多核處理器采用節(jié)流，雖然它可以保護(hù)設(shè)備免受過(guò)熱的影響，但可能會(huì)導(dǎo)致性能突然下降，這可能被證明是至關(guān)重要的。由于熱失控的威脅，需要將模塊結(jié)溫保持在85°C，但是（如前所述）如果不向平臺(tái)添加主動(dòng)冷卻/制冷，這種方法就造成了物理上的不可能。

消除“熱三明治”問(wèn)題

對(duì)于尋求冷卻當(dāng)代3U卡和夾層模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，另一個(gè)復(fù)雜的挑戰(zhàn)是熱量被“夾”在兩塊板之間。通常在開放式架構(gòu)系統(tǒng)中，夾層卡的初級(jí)側(cè)定位為面向主機(jī)卡的初級(jí)側(cè)。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)用于兩個(gè)卡頂部冷卻的高功率密度組件直接相對(duì)放置。VITA 48.2 試圖通過(guò)楔形鎖將產(chǎn)生的熱量拉出，但存在額外的導(dǎo)電和界面熱阻，限制了這種方法的有效性和效率。VITA 48.8 換熱器方法提供了解決夾層熱問(wèn)題的理想方法，因?yàn)樗估淇諝獗M可能靠近設(shè)備的主要熱路徑，有效地解耦卡之間的夾層熱量，并通過(guò)兩卡主側(cè)之間的氣流將其排出。

雖然多年來(lái)一直在努力通過(guò)在模塊框架或楔形鎖上使用特殊材料來(lái)提高傳導(dǎo)冷卻的效率，但這種方法的有效性回報(bào)遞減。另一個(gè)推動(dòng)力是降低邊界條件，將卡邊緣溫度從85°C以下驅(qū)動(dòng)到70°C，甚至在某些情況下驅(qū)動(dòng)到60°C。 從系統(tǒng)集成商的角度來(lái)看，這種方法是有問(wèn)題的。給定 49 °C 的外部空氣溫度，加上太陽(yáng)能和其他子系統(tǒng)的熱負(fù)荷，當(dāng)使用環(huán)境空氣冷卻時(shí)，相當(dāng)于機(jī)箱的入口溫度為 70 或 71 °C。使用基于制冷劑的冷卻方法來(lái)實(shí)現(xiàn)更冷的卡邊緣會(huì)帶來(lái)很高的SWaP-C損失和平臺(tái)級(jí)別的大量基礎(chǔ)設(shè)施。

從系統(tǒng)的角度來(lái)看，非常密集的大功率傳導(dǎo)模塊在尺寸和重量方面可能很有吸引力，但從底盤和平臺(tái)級(jí)別考慮時(shí)，液體冷卻系統(tǒng)所需的額外重量可以抵消模塊級(jí)別的好處。相比之下，VITA 48.8 可以顯著減輕整體系統(tǒng)重量。將 3U 傳導(dǎo)冷卻模塊和 XMC 卡（假設(shè)每個(gè)卡上都有 50 W 芯片）有效地冷卻到 85 °C 卡邊緣需要側(cè)壁中帶有液體冷卻的機(jī)箱?？紤]以下設(shè)計(jì)方案：從單個(gè)半 ATR ［空中運(yùn)輸無(wú)線電］ 盒開始容納傳導(dǎo)冷卻模塊的系統(tǒng)架構(gòu)可能需要一個(gè)純粹用作液體-空氣熱交換器的第二個(gè)半 ATR 盒，以便有效地部署解決方案。

使用 VITA 48.8，消除了整個(gè)下半部分 ATR 盒，從而節(jié)省了相當(dāng)大的重量和系統(tǒng)尺寸。相比之下，使用 VITA 48.8 實(shí)施 AFT 冷卻并實(shí)現(xiàn) 85 °C 結(jié)溫通常只需要將少數(shù)幾個(gè)高功率模塊和電源的尺寸和重量增加 20% 到 50%。根據(jù)特定模塊的功率和功率密度，將需要 1.2 英寸或 1.5 英寸間距模塊，而不是 1 英寸間距模塊。（圖 3?？紤]這個(gè)例子：如果一個(gè)平臺(tái)上有超過(guò) 100 個(gè)箱子，并且 VITA 48.8 使每個(gè)底盤節(jié)省 5 磅，則在車輛級(jí)別，每個(gè)平臺(tái)的總體收益是節(jié)省 500 磅。

圖3：定性系統(tǒng)級(jí)功率影響。

冷凝不是 VITA 48.8 的問(wèn)題

系統(tǒng)集成商在考慮液體冷卻時(shí)需要了解的另一個(gè)問(wèn)題是冷凝。當(dāng)系統(tǒng)的冷卻液溫度低于平臺(tái)上可用環(huán)境空氣的露點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)冷凝問(wèn)題。在系統(tǒng)集成和測(cè)試過(guò)程中，甚至在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中觀察到由低于露點(diǎn)供應(yīng)的冷進(jìn)氣/冷卻劑引起的冷凝。當(dāng)系統(tǒng)部署在平臺(tái)上時(shí)，在不受控制的環(huán)境中，露點(diǎn)可能等于或低于環(huán)境溫度，這可能遠(yuǎn)高于冷卻液要求。

在一個(gè)用戶的軼事中，一個(gè)平臺(tái)在降落在一個(gè)熱帶島嶼上后增加了200多磅的冷凝水。除了在每一盎司都很重要的平臺(tái)上增加不必要的重量外，冷凝還會(huì)損壞或破壞現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備。VITA 48.8 通過(guò)提供從平臺(tái)級(jí)冷卻空氣到結(jié)溫的最短路徑來(lái)提供所需的冷卻效率。它還消除了冷凝問(wèn)題，因?yàn)樗褂昧艘粋€(gè)集成風(fēng)扇，確保運(yùn)行始終高于露點(diǎn)（包括在相對(duì)濕度超過(guò) 100% 的操作情況下）。

對(duì)于為航空航天和國(guó)防應(yīng)用部署的 COTS 系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，VITA 48.8 在設(shè)計(jì)和冷卻當(dāng)今領(lǐng)先的 3U 模塊方面邁出了一大步。AFT可以為未來(lái)基于3U的設(shè)計(jì)提供顯著的使用壽命;通過(guò)支持使用當(dāng)今最熱門、最先進(jìn)的半導(dǎo)體器件，它將推動(dòng)升級(jí)和新功能以及更多計(jì)算能力系統(tǒng)的部署。

符合 VITA 48.8 標(biāo)準(zhǔn)的插入式模塊將為政府和行業(yè)客戶提供顯著的成本節(jié)約，并為部署在未來(lái)垂直升力飛機(jī)等平臺(tái)中的航空電子系統(tǒng)減輕約 40% 的重量。更好的是，這種新的冷卻技術(shù)保留了對(duì)現(xiàn)有電氣和軟件架構(gòu)的投資，并保護(hù)電子元件免受環(huán)境污染。新的冷卻標(biāo)準(zhǔn)定義了需要高性能處理和圖形的平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。或電子戰(zhàn)功能，這意味著 AFT 冷卻插入式 VPX 模塊（包括 3U 和 6U 外形）保留了當(dāng)前的 VITA 46.0 和 VITA 65 連接器互操作性。

審核編輯：郭婷