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机箱散热与防辐射最佳解决方案
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2004-09-29 10:23

作者：

来源：
eNet硅谷动力

[收藏到E起摘]

【 简介 】　　个人计算机的最新技术，包括处理器、芯片组、内存和图形技术，在散热方面对系统设计师提出了巨大的挑战。随着市场向更高的计算速度、更强大的功能和更小的机型发展，这些设备所产生的热和热密度将继续增加……
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　　概述

　　个人计算机的最新技术，包括处理器、芯片组、内存和图形技术，在散热方面对系统设计师提出了巨大的挑战。随着市场向更高的计算速度、更强大的功能和更小的机型发展，这些设备所产生的热和热密度将继续增加。在组件层次的此种热能增加，迫使设计师重新考虑在芯片、包装、主板和系统层次的散热解决方案。被动和主动散热器已证明是一种可靠而相对经济的解决办法，足以跟上不断增大的热环境的挑战步伐。为继续使用这些散热器技术，必须对系统层次的散热方案予以考虑。

　　以往，系统设计师专注于通过增加风扇的数量和优化通风口的位置来改进系统的热环境。这一途径仍然是系统散热设计的一个重要方面。然而，包装层次散热方案的成本和复杂程度越来越高，要求有更先进的系统层次的技术，以发现更平衡、成本效益更佳的系统对策。如果计算机的外壳能提供较低的内部温度，就能大大节省这一开支。通过在系统层次解决方案和包装层次解决方案之间的恰当平衡，集成商可极大地降低系统的总成本。在热负荷越来越大的环境中，处理器通常是对系统散热设计要求最高的部件。处理器散热方案通常使用铜质或铝质的散热器，并以活跃的风扇促使空气流动。处理器失效温度可以与进入活跃的风扇和散热器的空气的温度有直接关系。空气温度越低，处理器失效温度也越低。随着INTEL Prescott Pentium4 3G以上CPU的推出后，因为高频处理器的高功耗带来了更大的发热量，而旧有的机箱散热方案已经无法满足其需求。于是INTEL为解决3G以上CPU所带来的散热及防EMI问题而提出了一整套的方案，“机箱导风管”的设计(Air Guide Design)就是其中一种，而更为显著的另外一套方案就是BTX的规范。并且也衍生出防EMI的Wave Guide Designe和U-seam Design

　　1、由38℃而产生的Air Guide Design(机箱导风管设计)

　　1-1、38℃

　　我们都知道CPU表面所产生的温度基本上是在72℃（INTEL称之为T-case温度），而在 35℃的环境温度下，大多数计算机机箱提供的机内温度环境一般约为 40-45℃。而INTEL必须保证T-case温度控制在72℃之内，根据CPU风扇所带来的散热能力，必须要让机箱内的升温(INTEL称之为T-rise)低于3℃的目标，就必须要求机箱内的温度控制在环境温度35℃加T-rise3℃等于38℃（此38℃ INTEL称之为T-ambient温度）之下。此38℃的测量方式是：CPU风扇散热片(heatsink)上方2cm高取4点的平均温度。而机箱的前进后出的空气流向，使得流向CPU风扇的空气温度已经有上升很多，所以就需要为CPU风扇单独开出一条风道，使得CPU风扇得到的空气温度正好是在35℃以下，所以就产生了“机箱导风管”。

　　1-2、有关文件

　　1-3、Air Guide Design的原理

　　以下图片1的设计旨在使标准 ATX 和 microATX 立式机箱达到T-rise升温低于 3℃ 的目标。此设计的重点是降低处理器的环境温度，同时又允许有些核心（处理器、芯片组）区域根据不同的主板布局设计而移动。总的目的是提供一种能以最低代价和最小集成影响应用于不同主板的、且可方便地集成到当前和今后的机箱设计中的冷却方案。

　　图 1 是一种与当前许多 microATX 机箱平台相类似的机箱。图中显示了附在机箱侧板上的三件套“机箱导风管”。机箱导风管由一根中空管构成，其一端外展，将室内冷空气导向处理器。它没有风扇，因此是一种完全被动的冷却方案。它完全依赖于内部的系统风扇将空气导向处理器和其它系统部件。为发挥正常功能，在机箱侧板上需要有一个通风口。机箱导风管的设计限制了一件套机箱顶板和侧板的使用。

　　以下是永阳机箱的实例

　　1-4、Air Guide Design的典型气流型式

　　图 2 显示使用机箱导风管时预期气流型式的一个例子。此系统平台有一个典型的后部 80 mm系统风扇和一个电源设备上的 80 mm风扇。这两个风扇都从机箱中排气（吹出空气），提供系统部件冷却所需气流。这种风扇配置造成机箱内部的压力略低于箱外大气压。于是，机箱上的其它所有开口都成为进风口。现在，主要进风口是前挡板开口和机箱导风管。处理器风扇与散热器组合能直接吸入箱外空气，仍然是处理器冷却的重要部分。

　　气流平衡对于保证其它系统部件的充分冷却仍极为重要。这涉及在机箱外壳的前面和侧面提供适当的开放区域，使所有部件都接收到所需的气流量。没有恰当的气流平衡，有些部件可能在低于所需温度下运行，而其它一些可能在较高的环境温度下运行。气流平衡不易掌握，但如控制正确，所有系统部件都能在建议的温度范围内运行。

　　2、散热通道及其防EMI的功能

　　2-1、机箱后部系统排风扇

　　业已证明，系统风扇仍然是整个系统冷却方案的极有价值的一部分。系统风扇在系统内部造成一个相对于外部系统的低压环境。从而形成压力梯度，迫使机外的冷空气经导风管流入系统。建议使用能提供至少 39CFM自由空气流的 80 mm或更大的后部风扇，以与机箱导风管配合从机箱排气。使用机箱导风管时不应采用后部风扇给机箱加压，因为这将使本解决方案完全失效。

　　而风扇加大，通风孔不加大，其散热效果同样没有达到。我们知道，在同一截面积下，方形孔的面积要比圆形孔的面积要大，也就是说方形孔的通风量要比圆形孔要大。

　　在充分考虑防EMI的情况下，只有使用一定大小的方形孔，才能达到最大的通风量。

　　下面是永阳机箱实行方形孔的实例：

　　而通风孔径增大了，随之而来的是防EMI（电磁辐射）问题。由此，INTEL又推出了新的设计：Wave Guide Design。此设计将放在第三条作重点介绍。

　　2-2、电源设备风扇

　　目前市场上供应的电源设备风扇已证明足以支持本文定义的机箱导风管。电源设备风扇应排出机箱热气以帮助系统冷却。以热空气向机箱加压的电源设备风扇将降低机箱导风管的功效。在这方面不需改动或特殊考虑以支持机箱导风管。

　　2-3、处理器活动风扇散热器

　　与后部系统排风扇几乎相同，处理器冷却风扇仍然是整个冷却方案的关键部分。使用机箱导风管时，需要一个活动风扇散热器来维持气流以适当地冷却处理器。不要与机箱导风管同时使用处理器被动冷却方案。机箱导风管的目的仅在为将冷空气吸入处理器核心区域提供路径。导风管不会推送冷空气，而是由机箱系统风扇吸入机外冷空气。

　　3、Wave Guide Design

　　一个系统的电磁干扰（EMI）性能决定于设计在系统主板中的躁音抑制程度，以及在机箱设计中（包括内部子系统和电缆的放置）提供的对 EMI的限制条文。要求符合严格的电磁兼容性（EMC）极限，如 CISPR-22 欧洲标准或 FCC “B” 美国标准。对主板生产商的开放机箱要求提出，大多数 EMI 的要求应在主板层次实现。不过，机箱应提供至少 6 dB 的 EMI致弱或整个频谱的屏蔽效率（SE）。6 dB 的目标假定主板符合 FCC Part15（开放盒试验）的标准。预期散射较高的主板很可能需要额外的防护外壳。这些标准，加之更高的处理器和视频频率，要求提供额外的防护外壳。基本设计原则并未改变，但是，随着频率继续升高，波长更短，在机箱设计方面也要求更多的接地点和更小的空隙。在极高频率下，这一要求不切实际，因为接地点十分靠近，以致需要连续的垫圈，而通风口也小得会阻挡气流。

　　EMC 标准：

　　47 CFR Parts 2 和 15（美国）

　　ICES-003（加拿大）

　　EN55022:1998（欧盟 Emissions）

　　EN55024:1998（欧盟 Immunity）

　　其它国际要求基于 CISPR 22

　　设计原理

　　通过增加孔的厚度来达到防EMI的效果

　　永阳机箱Wave Guide Design实例

　　4、U-seam Design

　　设计原理

　　U-Seam Width Width of U-Panel slot

　　T Thickness L-Panel

　　Gap Average gap between panels, represented as (Width-T)/2

　　Overlap Depth of overlap between U-Panel and L-Panel

　　永阳机箱U-seam Designs实例

　　由以上可知，真正能够达到38℃的机箱也并不只是在机箱侧板增加一个导风管或者在侧板上增加几个风扇就能达到的。

　　随着CPU处理速度不断加快，INTEL又在原有的1.0版Air Guide Design基础上升级到1.1版，1.1版主要是将导风管通风孔增大到92mm以上，并在其下部增加了一排通风孔。永阳也紧跟其步伐，将Air Guide Design全面升级到1.1版。

　　INTEL官方网站参考：

　　下面是实例：

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