針對最佳散熱效果的組件布局的選擇
提早優(yōu)化組件布局能夠減少重新設計以及成本增大的潛在風險,本文總結了一些器件布局對散熱的不同影響,對提前優(yōu)化組件布局以實現(xiàn)最佳散熱效果有一定幫助
如今,電路工程師們在電路板設計的最早階段必須針對功耗密度考慮散熱方案以及相應的機械問題。布局研究表明,原先僅僅針對布線可行性和信號完整性風險進行的板級設計評估已經(jīng)隨著體積龐大且?guī)в兄T多限制的散熱方案的引入而變得日益復雜。
盡管人們可以根據(jù)所需的產(chǎn)量和設計草圖采用一些經(jīng)驗性法則,但是這些法則通常相互矛盾,無法為用戶進行合理的設計評估提供足夠多的準確的權衡信息。通過在制造設計前優(yōu)化電路組件的布局,我們可以大大降低可能發(fā)生的重新設計的風險與成本。
第二處理器
為了分析組件布局方案的選擇過程從而優(yōu)化散熱性能,我們不妨采用一個單板計算機的例子,我們在板子上增加一個CPU作為第二處理器,以升級原有的cPCI底板。cPCI的外觀尺寸限制了電路板的面積為166mm×230mm,垂直方向上的尺寸限制為標準的0.8英寸板間距。當前的平臺已經(jīng)通過測試,具有200lfm的卡槽流速（slot flow rate）。
圖1 通過對板級結構進行細化,可以看出器件的相對位置對于互連的重要性
圖1給出的電路板功能模塊圖表明了各個組件的相互關系以及高層次的互連需求。對相關組件布局的性能約束的激勵因素是互連線的數(shù)量和傳輸速度,進一步受限于輸出引腳的物理定義以及完成布線所需的最少電路板層數(shù)。
如圖1所示,最關鍵的線網(wǎng)是連接CPU、MCH、ICH和存儲器的互連線。在FBD中完成的板上主要組件的一種布局規(guī)劃表明,各個組件布局的相對位置是非常重要的。成本問題限制了只能在四層板上完成布線設計,因此從某些引腳到目標組件之間必然需要可見的直接互連線。
邊緣策略
一種常用的散熱策略就是將功耗較高的組件放在電路板的邊緣,從而使其暴露在溫度最低的輸入氣流之中。這里,我們采用這一策略,將兩個CPU放在距離輸入氣流最近的地方。
這一策略的不利之處在于：所有位于CPU下風向的組件都會受到影響。這種影響是雙重的：下風向的組件——例如DIMM、ICH和MCH——都暴露在溫度較高的空氣之中,同時它們周圍的空氣流速也較低,從而進一步升高了它們的溫度。
如果將散熱器放在CPU頂部,那么這種影響將會進一步加劇。除了布線需要,布局規(guī)劃還將受到尺寸較大和位置固定的組件（例如連接器）的約束。
仿真
一旦建立了板級的功能描述和可行的物理布局規(guī)劃,我們必須對其散熱性能進行評估。在這個例子中,通過仿真我們發(fā)現(xiàn)了一種撞擊作用（knock-oneffect）,左邊CPU的散熱對流經(jīng)DIMM上方的氣流進行了預熱。消除預熱作用有三種可能的方法：
1. 降低CPU時鐘頻率,從而降低功耗,減少預熱;
2. 在DIMM上增加散熱器;
3. 對組件布局進行重新排列,減少預熱作用。
方案1是行不通的,因為升級的目的就是為了提高CPU速度。方案2也不可行,因為如果需要定制DIMM散熱器,相關廠商的定價是每個5.5美元,這一成本是無法接受的。
由于在開始進行具體的布線工作之前可以對組件的布局規(guī)劃進行評估,因此我們可以嘗試第三種方案——改變組件的布局——不會影響主要的布線工作。通過在總體設計階段評估組件布局的方案,我們可以分析各種備選方案的優(yōu)劣,從而降低設計風險。
圖2 將熱耗高的組件放在電路板邊緣,將會造成周圍氣流的預熱,升高下風向器件的溫度。分析各種布局方案中的散熱沖突,有助于找到最佳的布局規(guī)劃。
