您所不知的PXI/PXI Express系统散热设计的秘诀

前言 
       PXI/PXIe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极大化的平衡；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PXI/PXIe系统散热的要素。本文将带您一窥系统散热设计的秘诀，以挑选最适合的PXI/PXIe系统。
PXI/PXIe系统设计的限制 
       PXI/PXIe机箱的设计首要考虑PXI/PXIe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PXI/PXIe机箱，搭载3U PXI/PXIe模块卡片，卡片大多是直立式插放配置于4U PXI/PXIe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，PXI/PXIe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（见图一）。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。（见图二）

图一：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。

图二：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，仍然有不同的作法考虑。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（见图三）。相反的，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。

图三：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，将冷空气顺利的导出，是设计机箱时极为重要的考虑点。以PXI/PXIe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PXI/PXIe系统安装于机柜中。如此一来，热源的考虑将不单只是该PXI/PXIe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PXI/PXIe机箱背板所产生的热，一并带入置于前方的PXI/PXIe模块中，反而不利整体系统的散热。而第二款新型PXI/PXIe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。（见图四）

图四：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PXI模块的高度限制，开孔的上缘不得超过PXI模块的下缘位置，在如此有限的空间下，新款PXI/PXIe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。（见图五）

图五：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PXI/PXIe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PXI/PXIe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。（见图六）

图六：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。PXI/PXIe机箱可透过传感器的配置，例如在背板上方配置五组的传感器，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。
PXI/PXIe移动运算方案
       为满足PXI/PXIe量测系统移动运算的需求，可安装便携型的屏幕键盘套件，对客户来说，是很方便的设计。客户可使用外接式的屏幕键盘套件，将机柜型PXI/PXIe系统，转化成便携型PXI/PXIe系统。这时如果PXI/PXIe机箱的散热配置不当，一旦加上屏幕键盘套件，可能会影响原有的散热。正如先前提到，一旦新款风扇采用“由前往后吸入”的设计，在搭配便携型套件时，将不会阻绝原有的散热设计。并且，键盘底部可附上11mm垫片，使得电源供应模块的独立的散热设计可持续作用，大幅提升PXI/PXIe系统的便利性，而无需担忧系统的稳定。（见图七）

图七：便携型屏幕键盘套件增加行动运算的便利性

总结
       PXI/PXIe机箱的设计并非单一考虑机箱本身的设计，必须和其他量测系统所使用环境一并搭配考虑，包含风扇的配置、风流的规划、电源的选购，模块优化性能的提升等。凌华科技为PXI系统联盟的协会董事会及最高等级会员，也是亚洲唯一的PXI产品的专业制造商。多年来相继开发超过100个以上PXI产品，以满足各类高端PXI及PXI Express测试平台需求。其中最新上市的PXES-2590，为业界首款全混合式插槽的PXIe机箱，针对高性能高带宽的PXI/PXIe模块所设计。PXIS-2719A为19 槽3U智能型PXI 机箱，特别适合需要高容量PXI的量测与测试相关应用。它们均采用最新PXI/PXIe机箱设计，为高稳定高性能的系统首选。