如何實現PXIe/PXI機箱的散熱設計

前言

PXIe/PXI系統是追求穩定度與嚴苛環境的量測與自動化測試系統的最佳平臺。系統散熱的設計，對于系統的穩定度扮演重要的角色，包含風流與流場的規劃，該如何避免氣流通道吸入不必要的熱源？如何將散熱孔在安規的限制下取得最優化的平衡；如何配置風扇，以取得風扇最佳性能？以及如何規劃電源供應模塊的空間配置，以提供獨立的流場？以上種種，都會是影響PXIe/PXI系統散熱的要素。本文將帶您了解系統散熱設計的秘訣，以挑選最適合的PXIe/PXI系統。

PXIe/PXI系統設計的限制

PXIe/PXI機箱的設計首要考慮PXIe/PXI模塊配置的方向。模塊插卡的方向會直接影響風流的走向。一般市場上最常見的是以4U高的PXIe/PXI機箱，搭載3U PXIe/PXI模塊卡片，卡片大多是直立式插放配置于4U PXIe/PXI機箱中。在如此有限的空間下，散熱的設計，以保持系統的穩定度，是系統設計者的一大挑戰。

風扇配置的考慮

一般說來，PXIe/PXI機箱風扇配置的位置有兩種，分別為“下方式”或“后方式”。傳統風扇大多配置于機箱的下方，然而配置于機箱的下方，容易造成風流分布的不均勻，影響系統整體的散熱質量。例如兩組風扇中間的插槽的溫度，就可能因為風流不平均的緣故，溫度因而高于其他插槽（見圖1）。如此一來將不利于系統的規劃與配置。因而將風扇配置于后機箱后方的新型設計應運而生，風扇配置于機箱后方的設計，可帶來平均的風流，改善溫度不均勻的問題（見圖2）。

圖1：將風扇配置于機箱下方，兩風扇間的風流因為受到阻隔，無法提供平均的風流。

圖2：將風扇配置于機箱后方，可增加風速，并提供平均的風流。

然而，將風扇配置于機箱后方，仍然有不同的做法考慮。其一為風流“由后往前吸入式”，因為風扇可直接吸入空氣的緣故，風速可較高，但風流的控制較為不易，再加上根據PXI規范所定義，風流必須由下而上通過PXI模塊，如此一來，散熱的規劃勢必得透過機箱上方的開孔才得以實現，這對于嚴苛環境要求較高的環境，是比較不利的設計（見圖3）。相反，假設風流為“由前往后吸入式”，雖然風扇距離吸入的空氣距離較遠，風速較低，但風流的表現可以比較穩定且易于控制。

圖3：風流“由后往前吸入式”，散熱出孔必須通過系統上方。

流道的規劃
此外，風扇的配置也需考慮流道的設計，如何避開客戶使用時可能遭遇到的熱源，將冷空氣順利導出，是設計機箱時極為重要的考慮點。以PXIe/PXI機箱的使用環境來說，大多的客戶會使用混合式的測試系統，將PXIe/PXI系統安裝于機柜中。如此一來，熱源的考慮將不單只是該PXIe/PXI系統本身，而包含完整的混合式測試系統。就以剛剛提到的第一種，由后往前吸入式的風扇配置的機箱，會將空氣吸入機箱本體，再導向機箱前方排出，然而因為機柜后方帶入的空氣，易混雜其他混和系統所產生的熱空氣，也會把PXIe/PXI機箱背板所產生的熱，一并帶入置于前方的PXIe/PXI模塊中，反而不利整體系統的散熱。而第二種新型PXIe/PXI機箱的設計，則改采用后方風扇由前往后吸入式的設計，將前方“干凈”的冷空氣，通過PXI模塊，引導至機箱后方排出，以避免上述的情況發生（見圖4）。

圖4：由前往后吸入式的機箱設計，可提供較干凈的流道，避免帶入不必要的熱源。

優化開孔的設計
為了引導風流散熱優化，機箱開孔的規劃與設計也有其重要性。如何在安規限制與機構的極限下，取得平衡，也考驗設計機箱的功力。新型PXIe/PXI機箱不僅在前后對應的位置開孔加強散熱外，包含兩側、前面板，均做了極大化的開孔設計。首先受到PXIe/PXI規范的限制，風流必須是由下往上散熱，所以能夠開孔的位置僅能在機箱的下方，就高度而言，考慮到PXIe/PXI模塊的高度限制，開孔的上緣不得超過PXIe/PXI模塊的下緣位置，在如此有限的空間下，新款PXIe/PXI機箱在不僅僅在前方下緣做了很多微小的開孔進風，在機箱的兩側下緣，也利用可能的空間，極大化了開孔設計（見圖5）。

圖5：機箱前下方與兩側下緣，均提供進風點。

風扇性能與背壓的平衡
受到機箱先天空間環境的限制下，必須找出風扇背壓與風扇流量的優化配置。最理想的狀況是擁有平滑的曲線距離以及較長的距離，讓風扇的表現可以達到PQ曲線優化。然而受到PXIe/PXI機箱空間限制的緣故，必須在不斷的計算與調整中，取得機箱背板的最佳斜率，以表現風扇最佳性能。

電源模塊配置的考慮
電源模塊的選擇與配置也是一門學問。在過去的系統設計中，很容易就忽略掉電源供應模塊本身產生的熱源，也會影響PXIe/PXI機箱的性能。在傳統設計中，沒有將電源供應模塊與機箱本身的熱流隔開，電源供應模塊強制排氣的功能，會造成機箱的流場混亂。因而新款機箱必須能阻隔電源供應模塊以及風扇本身的熱流，甚至為電源供應模塊設計獨立的開孔，以提供獨立的風流。這些都是為了改

善此現象所做的設計（見圖6）。

圖6：梯形部位顯示該電源供應模塊擁有獨立的流場，同時左右也提供獨立的開孔散熱。

智能型監控與自動調節
為了確保系統運作時的穩定性，智能型監控系統的設計，可以提供保護與系統調節的功能。PXIe/PXI機箱可通過傳感器的配置，例如在PXIe/PXI背板上方配置的傳感器，以監控機箱內溫度的變化，透過程序的設定，在溫度高時，加快風扇的轉速，可有效確保系統運作的穩定性，并達到節能的效果（見圖7）。

圖7：厚物科技HW-1363i支持PWM風扇自適應轉速控制，根據機箱內部溫度高低風扇自適應調整轉速對PXIe/PXI控制器及模塊進行散熱。

PXIe/PXI便攜式測控系統平臺
為滿足外場便攜式測控系統的需求，可采用專業的PXIe/PXI便攜式測控平臺方案，對用戶來說，這些成熟的標準貨架品，散熱設計很專業，確保電源、PXIe/PXI控制器及模塊都得到良好的散熱，在大幅提升PXIe/PXI測控系統的便利性同時，客戶無需擔憂測控系統的穩定性（見圖8）。

圖8：厚物科技PXIe/PXI便攜測控平臺HW-1683 HW-1363為外場測試提供專業的保障服務。