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)是平衡競爭方法，以減小系統(tǒng)的尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C），同時嘗試部署最現(xiàn)代的技術。如今，系統(tǒng)集成商正面臨著實現(xiàn)這種平衡的迅速縮小的余地。雖然設備的功率和密度有所增加，但平臺環(huán)境邊界條件并未改變。結果是利潤越來越小。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)的熱管理變得越來越困難，但平臺的重量限制也越來越嚴重。許多現(xiàn)代平臺，如旋轉升降直升機和無人駕駛飛行器（UAV），越來越受到重量限制，系統(tǒng)上每增加一磅就會影響任務持續(xù)時間和航程。

隨著系統(tǒng)集成商在處理SWaP-C時受到來自各個方向的擠壓，有一些好消息。最近批準的 ANSI 標準 ANSI/VITA 48.8-2017“使用氣流通過冷卻的電子 VPX 插入式模塊的機械標準”（ANSI/VITA 48.8）代表了一種使用空氣流通 （AFT） 技術冷卻嵌入式系統(tǒng)的方法，該技術顯著降低了已部署電子設備的 SWaP-C，同時提高了航空電子系統(tǒng)的可靠性并能夠部署更熱的現(xiàn)代設備。由于使用傳統(tǒng)的傳導-冷卻方法冷卻當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，同時為液體冷卻所需的復雜性和基礎設施提供了更好的系統(tǒng)平臺替代方案。

VITA 48.8 是首個支持小型 3U VPX COTS 模塊的開放標準 AFT 技術，這些模塊是 SWaP-C 敏感旋翼機和無人平臺的首選。VITA 48.8 基于洛克希德馬丁旋轉和任務系統(tǒng)公司開發(fā)的技術，通過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，允許在兩個卡邊緣進氣。由于 VITA 48.8 不使用模塊到機箱傳導冷卻，它還有望幫助推動新型輕質聚合物或復合材料底盤的創(chuàng)新使用。（圖 1 和圖 2。ANSI/VITA 48.8 標準增強了以前對 AFT 冷卻的設計挑戰(zhàn)，例如壓降、飛行高度、空氣冷卻、氣流進氣、熱交換和排氣路徑。符合 ANSI/VITA 48.8 標準的模塊使用位于組件中央部分的翅片式熱交換器框架來對主電路板和夾層板組件進行頂部冷卻。

圖 1：和圖 2：傳統(tǒng)的傳導冷卻（圖 1）方法對于當今運行較熱的模塊來說變得不太可行。符合 VITA 48.8 標準的 AFT 模塊使用位于組件中央部分的翅片式熱交換器框架來對主電路板和夾層板組件進行頂部冷卻（圖 2）。

在系統(tǒng)和平臺層面，與實施液體冷卻所需的基礎設施相比，VITA 48.8 AFT 方法的主要優(yōu)勢是尺寸和重量更小。在電子模塊級別，主要優(yōu)勢是大大改善了熱管理。與模塊傳導冷卻 （VITA 48.2） 或底盤液體冷卻替代方案相比，VITA 48.8 使系統(tǒng)集成商能夠將可部署在給定底盤中的電子功能密度提高近一倍，甚至將每架飛機的整體航空電子設備重量減輕數(shù)百磅。對于作戰(zhàn)人員來說，VITA 48.8提供的SWaP-C的減少可以顯著增加任務范圍，有效載荷和燃油經濟性，同時為新功能提供前所未有的計算能力水平。

VITA 48.8 保留了物理定律

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

現(xiàn)在考慮添加夾層卡：越來越有可能找到一個托管 50 W XMC 卡的 100 W 3U VPX 模塊。不幸的是，使用 VITA 48.2 冷卻組合主機和夾層卡產生的 150 W 功率是不可行的。這是因為當設計為 85 °C 卡邊緣的 3U 主機卡承載夾層時，夾層安裝點不可能保持 85 °C。物理學說，夾層卡的溫度必須高于主機卡邊緣的溫度。

對于情報、監(jiān)視和偵察 （ISR） 平臺的典型實時確定性應用，保持 85 °C 卡邊緣的挑戰(zhàn)至關重要。考慮 FPGA 器件隨溫度變化的功耗。如果FPGA的85°C結溫上升到100°C，實際電流消耗將上升30%，從而導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，雖然它可以保護設備免受過熱的影響，但可能會導致性能突然下降，這可能被證明是至關重要的。由于熱失控的威脅，需要將模塊結溫保持在85°C，但是（如前所述）如果不向平臺添加主動冷卻/制冷，這種方法就造成了物理上的不可能。

消除“熱三明治”問題

對于尋求冷卻當代3U卡和夾層模塊的系統(tǒng)設計人員來說，另一個復雜的挑戰(zhàn)是熱量被“夾”在兩塊板之間。通常在開放式架構系統(tǒng)中，夾層卡的初級側定位為面向主機卡的初級側。這種設計導致設計用于兩個卡頂部冷卻的高功率密度組件直接相對放置。VITA 48.2 試圖通過楔形鎖將產生的熱量拉出，但存在額外的導電和界面熱阻，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題的理想方法，因為它使冷空氣盡可能靠近設備的主要熱路徑，有效地解耦卡之間的夾層熱量，并通過兩卡主側之間的氣流將其排出。

雖然多年來一直在努力通過在模塊框架或楔形鎖上使用特殊材料來提高傳導冷卻的效率，但這種方法的有效性回報遞減。另一個推動力是降低邊界條件，將卡邊緣溫度從85°C以下驅動到70°C，甚至在某些情況下驅動到60°C。 從系統(tǒng)集成商的角度來看，這種方法是有問題的。給定 49 °C 的外部空氣溫度，加上太陽能和其他子系統(tǒng)的熱負荷，當使用環(huán)境空氣冷卻時，相當于機箱的入口溫度為 70 或 71 °C。使用基于制冷劑的冷卻方法來實現(xiàn)更冷的卡邊緣會帶來很高的SWaP-C損失和平臺級別的大量基礎設施。

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

使用 VITA 48.8，消除了整個下半部分 ATR 盒，從而節(jié)省了相當大的重量和系統(tǒng)尺寸。相比之下，使用 VITA 48.8 實施 AFT 冷卻并實現(xiàn) 85 °C 結溫通常只需要將少數(shù)幾個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]這個例子：如果一個平臺上有超過 100 個箱子，并且 VITA 48.8 使每個底盤節(jié)省 5 磅，則在車輛級別，每個平臺的總體收益是節(jié)省 500 磅。

圖3：定性系統(tǒng)級功率影響。

冷凝不是 VITA 48.8 的問題

系統(tǒng)集成商在考慮液體冷卻時需要了解的另一個問題是冷凝。當系統(tǒng)的冷卻液溫度低于平臺上可用環(huán)境空氣的露點時，就會出現(xiàn)冷凝問題。在系統(tǒng)集成和測試過程中，甚至在受控的實驗室環(huán)境中觀察到由低于露點供應的冷進氣/冷卻劑引起的冷凝。當系統(tǒng)部署在平臺上時，在不受控制的環(huán)境中，露點可能等于或低于環(huán)境溫度，這可能遠高于冷卻液要求。

在一個用戶的軼事中，一個平臺在降落在一個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上增加不必要的重量外，冷凝還會損壞或破壞現(xiàn)場電子設備。VITA 48.8 通過提供從平臺級冷卻空氣到結溫的最短路徑來提供所需的冷卻效率。它還消除了冷凝問題，因為它使用了一個集成風扇，確保運行始終高于露點（包括在相對濕度超過 100% 的操作情況下）。

對于為航空航天和國防應用部署的 COTS 系統(tǒng)的系統(tǒng)設計人員來說，VITA 48.8 在設計和冷卻當今領先的 3U 模塊方面邁出了一大步。AFT可以為未來基于3U的設計提供顯著的使用壽命;通過支持使用當今最熱門、最先進的半導體器件，它將推動升級和新功能以及更多計算能力系統(tǒng)的部署。

符合 VITA 48.8 標準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，并為部署在未來垂直升力飛機等平臺中的航空電子系統(tǒng)減輕約 40% 的重量。更好的是，這種新的冷卻技術保留了對現(xiàn)有電氣和軟件架構的投資，并保護電子元件免受環(huán)境污染。新的冷卻標準定義了需要高性能處理和圖形的平臺的設計要求?；螂娮討?zhàn)功能，這意味著 AFT 冷卻插入式 VPX 模塊（包括 3U 和 6U 外形）保留了當前的 VITA 46.0 和 VITA 65 連接器互操作性。

審核編輯：郭婷