CN102706386A

CN102706386A - 用于模拟ic芯片热耗的单盘

Info

Publication number: CN102706386A
Application number: CN2012101605657A
Authority: CN
Inventors: 黄杰; 甘晓明; 王志勇; 姬生钦
Original assignee: Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan Changjiang Computing Technology Co., Ltd
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102706386B

Abstract

本发明公开了一种用于模拟IC芯片热耗的单盘，涉及通信领域，它包括电源模块、分别与电源模块相连的热模拟模块、稳压模块和AD转换模块、与热模拟模块相连的测温仪、分别与稳压模块相连的串口通信模块、MCU控制模块、温度采集传感器和功率采集传感器，MCU控制模块分别与串口通信模块、温度采集传感器、功率采集传感器和AD转换模块连接。本发明能够在系统单盘开发前模拟IC芯片的热耗值，为IC芯片散热、单盘设计及系统散热设计提供依据，降低单盘及整机在开发过程中仅凭软件仿真及经验设计带来的散热设计风险，使产品设计更加合理，提高系统开发的成功率及系统的可靠性。

Description

用于模拟IC芯片热耗的单盘

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种用于模拟IC芯片热耗的单盘。

背景技术

随着信息技术的快速发展，通信设备的功能不断增强，高集成度、大功率的IC芯片使用越来越普遍。在实现系统功能的同时，减小设备体积、降低功耗通常能够大幅提高产品竞争力，提升用户体验，所以设备节能、紧凑型设计是产品开发很重要的一个方面，其中，主要IC芯片的散热问题显得尤为重要。要合理解决IC芯片及系统的散热问题，就要了解IC芯片的热耗，按照IC芯片标称功率进行散热最大化设计，能够解决其散热问题，但该方式通常会占用较大单盘空间，与系统紧凑型设计、单盘布局等产生突出的矛盾。

目前的散热设计主要依靠软件仿真、设计经验等方式来解决，然而，软件仿真毕竟只能作为一种方案为散热设计提供参考，仍然存在一定的误差。依据经验进行散热设计，选用较大的散热器，采取风量更大的风扇散热，虽然一定程度上可以解决系统及IC芯片的散热问题，但并不能使单盘设计处于更优化状态，一旦设计不合格可能就会导致单盘及系统需要重新规划设计，并且只能依据软件仿真，做实验等方式来尝试改进，给产品开发带来风险。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于模拟IC芯片热耗的单盘，能够在系统单盘开发前模拟IC芯片的热耗值，为IC芯片散热、单盘设计及系统散热设计提供依据，降低单盘及整机在开发过程中仅凭设计经验及软件仿真进行散热设计而导致的由于散热问题带来的风险，使产品设计更加合理，提高系统开发的成功率及系统的可靠性。

本发明提供的用于模拟IC芯片热耗的单盘，它包括电源模块、分别与电源模块相连的热模拟模块、稳压模块和AD转换模块、与热模拟模块相连的测温仪、分别与稳压模块相连的串口通信模块、MCU控制模块、温度采集传感器和功率采集传感器，MCU控制模块分别与串口通信模块、温度采集传感器、功率采集传感器和AD转换模块连接。

在上述技术方案中，所述热模拟模块由若干电阻串联而成。

在上述技术方案中，它还包括分别与所述电源模块相连的输出电压调节模块和控制开关，电源模块的输入端分别与系统工作电源、控制开关连接，电源模块的输出端与热模拟模块连接，为热模拟模块提供工作电压。

在上述技术方案中，所述控制开关设置在本单盘的面板侧，控制电源模块输出的开启或关断。

在上述技术方案中，所述电源模块的输出端还分别与输出电压调节模块、稳压模块及AD转换模块连接。

在上述技术方案中，所述输出电压调节模块包括两个设置于面板侧的电位器，用于分别实现电源模块输出电压的上调或下调。

在上述技术方案中，所述稳压模块的输出电压为3.3V，分别为MCU控制模块、温度采集传感器、功率采集传感器和串口通信模块提供工作电压；所述AD转换模块用于检测电压模块的输出电压，MCU控制模块计算出各热模拟模块的功耗值；所述输出电压调节模块实现电源模块输出电压基于3.3V上调10％及下调20％，使热模拟模块的功率在3.3V工作电压基础上64％～121％范围内调节。

在上述技术方案中，所述测温仪通过热电偶线连接到测温点，测量热模拟模块散热后本单盘多点的温度。

在上述技术方案中，所述串口通信模块实现与PC机之间的串口通信，通过串口连接线与本单盘串口连接器及内置串口调试助手的PC机串口连接器相连，测温仪及温度采集传感器监测热模拟模块及本单盘的环境温度，功率采集传感器监测本单盘的整体功率，所述PC机串口调试助手显示单盘温度、热模拟模块功率、单盘总功率及告警信息。

在上述技术方案中，所述MCU控制模块通过其板内I2C通信总线SDA_M/SCL_M与温度采集传感器及功率采集传感器之间通信，实现温度及功率信息的实时读取；通过串口通信总线TXD/RXD与串口通信模块连接，实现单盘与PC机之间的串口通信，将温度、热模拟模块功率、单盘总功率、告警信息上报到PC机串口调试助手进行显示；通过告警输出线LALM1～LALM4与温度采集传感器连接，用于检测单盘过温信息；通过拨码开关K1对单盘地址进行设置；通过设置在面板侧的工作指示灯LED_G指示工作状态，通过设置在面板侧告警指示灯LED_R指示告警状态；通过C2CK/C2DAT进行程序下载及仿真；通过3V3/E供电。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明能够在系统单盘开发前模拟IC芯片的热耗值。在已有设备系统中，在一定配置情况下首先对实际单盘进行温循(-10℃～50℃)测试，统计实际单盘主要温度监测点的温度测试数据；在相同的配置及测试条件下，对模拟IC芯片热耗的单盘进行测试，统计模拟IC芯片热耗的热模拟单盘温度监测点的温度测试数据；两者进行温度测试对比，其中要求对比单盘在设备中所处槽位相同，温度监测点位置要求基本一致。在测试对比中，模拟IC芯片热耗的单盘需要对热模拟模块的功耗进行调节(通过输出电压调节模块进行调节)与实际单盘进行温度匹配，当相同槽位相同温度点监测温度基本一致时，通过读取热模拟模块的功耗即可判断IC芯片所对应的实际热耗值，从而找出主要IC芯片的标称功率与其热耗之间的对应关系，评估单盘的功率及整体热耗，为产品开发散热设计(如：风扇单元的开发)、散热器的选型、单盘的布板设计、整机的散热能力评估、单盘及整机的结构设计等提供参考及指导，降低单盘及整机在开发过程中仅凭软件仿真及经验设计由于散热问题带来的风险，使产品设计更加合理，提高系统开发的成功率及系统的可靠性。同时在该单盘测试中还能够进行新的散热器、导热垫片、导热胶的选型、新的散热方案验证等工作。

附图说明

图1是本发明实施例的结构框图。

图2是本发明实施例模拟功率为60W的IC芯片时热模拟模块的电路图。

图3是本发明实施例模拟功率为30W的IC芯片时热模拟模块的电路图。

图4是本发明实施例中MCU控制模块的电路图。

图中：1-输出电压调节模块，2-电源模块，3-热模拟模块，4-测温仪，5-控制开关，6-稳压模块，7-PC机串口调试助手，8-串口通信模块，9-MCU控制模块，10-温度采集传感器，11-功率采集传感器，12-AD转换模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种用于模拟IC芯片热耗的单盘(下文简称“本单盘”)，本单盘包括电源模块2、分别与电源模块2相连的热模拟模块3、稳压模块6和AD转换模块12、与热模拟模块3相连的测温仪4、分别与稳压模块6相连的串口通信模块8、MCU控制模块9、温度采集传感器10和功率采集传感器11，MCU控制模块9分别与串口通信模块8、温度采集传感器10、功率采集传感器11和AD转换模块12连接。

电源模块2还连接有输出电压调节模块1和控制开关5，电源模块2的输入端分别与系统工作电源、控制开关5连接。系统工作电源为-48V，控制开关5设置在本单盘的面板侧，控制电源模块2输出开启或关断。电源模块2的输出端与热模拟模块3连接，为热模拟模块3提供工作电压，通过控制开关5选择需要工作的电源模块2开启或关断，从而控制相应的热模拟模块3工作。

电源模块2的输出端还分别与输出电压调节模块1、稳压模块6和AD转换模块12连接，稳压模块6的输出电压为3.3V，分别为MCU控制模块9、温度采集传感器10、功率采集传感器11和串口通信模块8提供工作电压；AD转换模块12用于检测电压模块2的输出电压，MCU控制模块9计算出各热模拟模块3的功耗值；输出电压调节模块1包括两个设置于面板侧的调节电阻(即电位器)，分别实现电源模块2输出电压的上调或下调，能够实现电源模块2输出电压基于3.3V上调10％及下调20％，以实现热模拟模块3的功率在3.3V工作电压基础上64％～121％范围内调节，在低压供电情况下，易对热模拟模块3的功耗进行调节控制。

MCU控制模块9分别与温度采集传感器10、功率采集传感器11和串口通信模块8连接，测温仪4通过热电偶线连接到IC芯片散热器及其它需要测量温度的温度监测点，测量热模拟模块3散热后单盘多点温度。测温仪4及温度采集传感器10用于监测热模拟模块3及本单盘的环境温度；功率采集传感器11用于监测本单盘的整体功率；串口通信模块8实现与PC机之间的串口通信，通过串口连接线与本单盘串口连接器及内置串口调试助手7的PC机串口连接器相连，通过PC机串口调试助手7显示单盘温度、热模拟模块3功率、单盘总功率及告警信息。

AD转换模块12分别与电源模块2输出端及MCU控制模块9连接，其用于采集电源模块的输出电压，并送到MCU控制模块9进行处理，MCU控制模块9通过电压值及各热模拟模块3的阻抗，按照公式P＝U²/R计算出热模拟模块3的功耗(MCU控制软件处理)，其中，P表示热模拟模块3的功率，U表示热模拟模块的工作电压(由电源模块2输出提供)，R表示热模拟模块3的阻抗。

本发明实施例的核心模块为热模拟模块3，其它模块为常规辅助模块，下面详细介绍热模拟模块3的实现。

热模拟模块3由封装小、精度高的大功率电阻串联而成，电源模块2输出电压给串联电阻进行供电发热，从而实现纯阻抗发热，串联电阻根据热模拟模块3的热耗需求采取不同阻抗的电阻进行匹配。热模拟模块3的PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)布板面积不大于相应IC芯片的封装面积，不同阻抗的电阻要求交叉混排(混排顺序没有绝对的要求)，从而可以实现热模拟模块3不同点发热不同的状态，可更有效地模拟IC芯片发热。由于IC芯片所使用的散热器导热性能较好，能够很快地吸收IC芯片散发的热量并均匀地散布，所以热模拟模块3能够等效地模拟IC芯片的散热。在相同的配置及测试条件下，本单盘通过调节热模拟模块的功率使其监测点温度与实际单盘相同监测点温度进行匹配，以确定IC芯片热耗占其标称功率的比例或比例范围。

热模拟模块3设计的关键在于电阻的选型及控制方式。为实现热模拟模块3发热功率及有效地控制，本单盘采用电源模块2输出3.3V(在输出电压无调节情况下)对热模拟模块3进行控制，电源模块2输出电压能够通过面板侧电位器基于3.3V实现上调10％及下调20％范围内调节，从而实现热模拟模块3发热功率在3.3V工作电压基础上64％～121％范围内调节。

由于IC芯片热耗小于其标称功率，而热模拟模块3发热功率可基于3.3V工作电压的功率进行上调，因此，热模拟模块3基于3.3V工作电压的功率设计可在IC芯片标称功率基础上进行一定的折扣。本单盘热模拟模块3基于3.3V电压供电，功率按照相应IC芯片标称功率80％进行设计，通过调节电源模块2的输出电压能够实现热模拟模块3功耗在相应IC芯片标称功率51.2％～97％范围内调节。一个电源模块2可控制一个热模拟模块3或多个热模拟模块3，主要取决于对热模拟模块3的独立关断需求及其功率。

为实际模拟IC芯片的形状、发热效果等，本单盘的热模拟模块3选用的电阻具有阻抗低、功率大、封装小、精度高的特点。根据不同热模拟模块3功率的需求，采用2mΩ、5mΩ、10mΩ、15mΩ、20mΩ、25mΩ、30mΩ、50mΩ、100mΩ等电阻进行匹配设计。单个电阻的功率为2W～3W，封装为C2512或C2010，通过电阻的合理配置，能够实现4W～80W不同功率IC芯片的热模拟。例如，本发明实施例所设计的单盘选用的电源模块2额定功率为66W，其能够控制单个功率为60W的IC芯片，亦能够同时控制两个功率为30W的IC芯片。下面分别以模拟标称功率为60W和30W的IC芯片为例，说明热模拟模块3的电路实现。

参见图2所示，模拟标称功率为60W的IC芯片时，热模拟模块3由电阻R1～R25串联组成，热模拟模块3与电源模块2输出端连接。为模拟标称功率为60W的IC芯片的热耗，按照上述提到的设计原则，热模拟模块3基于3.3V工作电压的功率设计为48W。热模拟模块3中各器件的选型见下表：

表1、模拟标称功率为60W的IC芯片时热模拟模块的元件表

根据标称功率为60W的IC芯片的尺寸，同时满足其使用的散热器的尺寸要求，热模拟模块3选择使用25个封装为C2512、单颗电阻功率为3W的电阻匹配使用。根据上表中选择的电阻串联连接，在单盘PCB布局中尽可能将不同阻值的电阻交叉混排(混排顺序没有绝对的要求)，以更贴近地模拟IC芯片不同部位发热量不尽相同的现象，由于IC芯片发热经散热器吸收热量后可较为均匀地分布到散热器各点，所以通过电阻组成的热模拟模块3可以有效地模拟IC芯片的热耗。

本热模拟模块3的阻抗为0.225Ω，电源模块2输出电压不调节的情况下为3.3V，热模拟模块3的功率为48.4W，通过面板侧电位器将电源模块2输出电压基于3.3V上调10％，即3.63V，热模拟模块3的功率为58.6W；通过面板侧电位器将电源模块2输出电压基于3.3V下调20％，即2.64V，热模拟模块3的功率为30.1W；通过面板电位器调节输出电压的值，本热模拟模块3能够在30.1W～58.6W范围内模拟标称功率为60W的IC芯片的热耗。对实际单盘进行温循测试，统计各监测点温度信息，在相同条件下，对本单盘热模拟模块功耗进行调节，使其监测点温度与实际单盘相同监测点温度一致，通过PC机串口调试助手7读取热模拟模块3的功率即可确定IC芯片所对应的热耗，在确定IC芯片热耗的情况下可依据测试结果对其散热进行改进设计。例如：尝试新的散热器及导热材料的选型，改进设备的风道及风扇单元的设计方案等。

参加图3所示，模拟标称功率为30W的IC芯片时，热模拟模块3由电阻R26～R43串联组成，热模拟模块3与电源模块2输出端连接。为模拟标称功率为30W的IC芯片热耗，同上设计原理，热模拟模块3基于3.3V工作电压的功率设计为24W。热模拟模块3中各器件的选型见下表：

表2、模拟标称功率为30W的IC芯片时热模拟模块的元件表

序号	名称	位号	规格和型号	数量
					1	电阻	R26，R29，R32，R35，R38，R41	C2512/2W/20mΩ	6
2	电阻	R27，R30，R33，R36，R39，R42	C2512/2W/25mΩ	6
					3	电阻	R28，R31，R34，R37，R40，R43	C2512/2W/30mΩ	6

根据标称功率为30W的IC芯片的尺寸，热模拟模块3选择使用18个封装为C2512、单颗电阻功率为2W的电阻匹配使用。根据上表中选择的电阻串联连接，热模拟模块3的阻抗为0.45Ω，按照上述相同的原理，通过面板电位器调节输出电压的值，本热模拟模块3能够在15.5W～29.3W范围内模拟标称功率为30W的IC芯片的热耗。在热模拟模块PCB布局中，尽可能将不同阻值交叉混排(混排顺序没有绝对的要求)。按照上述相同的测试方法可确定IC芯片所对应的热耗。

参见图4所示，MCU控制模块9通过板内I2C通信总线SDA_M/SCL_M(数据总线/时钟总线)与温度采集传感器10及功率采集传感器11之间通信，实现温度及功率信息的实时读取；MCU控制模块9通过板间IC通信总线SDA/SCL(数据总线/时钟总线)与I2C通信芯片直接连接，通过板间I2C总线与系统设备管理盘(本单盘外其它关联单盘，此处不具体介绍)之间进行通信，上报单盘温度、功率及工作状态等信息；MCU控制模块9通过串口通信线TXD/RXD(发送数据/接收数据)与串口通信模块8连接，实现单盘与PC机之间的串口通信，将温度、热模拟模块功率、单盘总功率、告警等信息上报到PC机串口调试助手7进行显示。MCU控制模块9通过告警输出线LALM1～LALM4与温度采集传感器10连接，用于检测单盘过温信息，当检测到过温，将输出告警指示信号LED_R点亮面板告警指示灯(红色)，同时将告警信息上报给管理盘。MCU控制模块9通过拨码开关K1对单盘地址进行设置，可设定16块单盘不同地址，ADDR0～ADDR3为单盘地址位；通过单盘正常工作状态指示信号LED_G点亮面板工作指示灯(绿色)；通过C2CK/C2DAT进行程序下载及仿真；通过3V3/E供电。MCU控制模块9的各元件型号见表3。

表3、MCU控制模块的元件表

序号	名称	位号	规格和型号	数量
					1	IC	IC1	C8051F310-GQ	1
2	电容	C2	C0603-16V-104KX	1
					3	电容	C1	CA-C3216-16V-106K	1
4	电阻	R44，R45，R46，R47	SM-R-C0603-103J	4
					5	拨码开关	K1	DS-04	1

本单盘的热模拟模块3为用于模拟IC芯片热耗的主体模块，电源模块2的输出电压要求可调节，从而实现热模拟模块3在宽功率范围内调节，MCU控制模块用于采集单盘温度、热模拟模块功率、单盘总功率、告警等信息，测温仪4通过热电偶线直接粘贴到单盘散热器等不同部位，能够实现单盘多点温度同时监测。

本发明实施例中的用于模拟IC热耗的单盘，需应用到实际设备系统中。模拟IC芯片热耗的单盘及实际单盘在系统设备中需在环境温度-10℃～50℃范围内进行温循测试，首先需要对实际单盘IC芯片及主要温度点的温度进行测试统计，在相同配置及测试条件下，通过调节模拟IC芯片热耗的单盘热模拟模块3的功率，使其相同温度监测点的温度保持一致，通过PC机串口调试助手7读取热模拟模块所对应的功率即可确定实际单盘中IC芯片所对应的热耗。通过本单盘的使用，能够相对准确地模拟IC芯片热耗，确定IC芯片标称功率与其热耗之间的对应关系，为IC芯片的散热设计提供实际的数据支撑，在此基础上结合软件仿真等方式能够更好地解决IC芯片及设备的散热问题，避免仅凭软件仿真及经验设计带来的散热设计风险。同时，在测试过程中通过尝试新的散热器、导热胶的选型，改进单盘的布局设计，改善风扇单元的风量、风道等设计都能够起到优化IC芯片及系统散热的效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：它包括电源模块(2)、分别与电源模块(2)相连的热模拟模块(3)、稳压模块(6)和AD转换模块(12)、与热模拟模块(3)相连的测温仪(4)、分别与稳压模块(6)相连的串口通信模块(8)、MCU控制模块(9)、温度采集传感器(10)和功率采集传感器(11)，MCU控制模块(9)分别与串口通信模块(8)、温度采集传感器(10)、功率采集传感器(11)和AD转换模块(12)连接。

2.如权利要求1所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述热模拟模块(3)由若干电阻串联而成。

3.如权利要求1所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：它还包括分别与所述电源模块(2)相连的输出电压调节模块(1)和控制开关(5)，电源模块(2)的输入端分别与系统工作电源、控制开关(5)连接，电源模块(2)的输出端与热模拟模块(3)连接，为热模拟模块(3)提供工作电压。

4.如权利要求3所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述控制开关(5)设置在本单盘的面板侧，控制电源模块(2)输出的开启或关断。

5.如权利要求3所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述电源模块(2)的输出端还分别与输出电压调节模块(1)、稳压模块(6)、AD转换模块(12)连接。

6.如权利要求5所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述输出电压调节模块(1)包括两个设置于面板侧的电位器，用于分别实现电源模块(2)输出电压的上调或下调。

7.如权利要求6所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述稳压模块(6)的输出电压为3.3V，分别为MCU控制模块(9)、温度采集传感器(10)、功率采集传感器(11)和串口通信模块(8)提供工作电压；所述AD转换模块(12)用于检测电压模块(2)的输出电压，MCU控制模块(9)计算出各热模拟模块(3)的功耗值；所述输出电压调节模块(1)实现电源模块(2)输出电压基于3.3V上调10％及下调20％，使热模拟模块(3)的功率在3.3V工作电压基础上64％～121％范围内调节。

8.如权利要求1所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述测温仪(4)通过热电偶线连接到测温点，测量热模拟模块(3)散热后本单盘多点的温度。

9.如权利要求8所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述串口通信模块(8)实现与PC机之间的串口通信，通过串口连接线与本单盘串口连接器及内置串口调试助手(7)的PC机串口连接器相连，测温仪(4)及温度采集传感器(10)监测热模拟模块(3)及本单盘的环境温度，功率采集传感器(11)监测本单盘的整体功率，所述PC机串口调试助手(7)显示单盘温度、热模拟模块(3)功率、单盘总功率及告警信息。

10.如权利要求9所述的用于模拟IC芯片热耗的单盘，其特征在于：所述MCU控制模块(9)通过其板内12C通信总线SDA_M/SCL_M与温度采集传感器(10)及功率采集传感器(11)之间通信，实现温度及功率信息的实时读取；通过串口通信总线TXD/RXD与串口通信模块(8)连接，实现单盘与PC机之间的串口通信，将温度、热模拟模块(3)功率、单盘总功率、告警信息上报到PC机串口调试助手(7)进行显示；通过告警输出线LALM1～LALM4与温度采集传感器(10)连接，用于检测单盘过温信息；通过拨码开关K1对单盘地址进行设置；通过设置在面板侧的工作指示灯LED_G指示工作状态，通过设置在面板侧的告警指示灯LED_R指示告警状态；通过C2CK/C2DAT进行程序下载及仿真；通过3V3/E供电。