CN104391240B - 电路板卡耐温性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路板卡耐温性分析方法。该方法用于在室温工况下测试所述电路板卡的最大耐热温度，所述方法包括：温差测量过程，在所述室温工况下，在所述冷却气流保持在工作状况下的预定风量和风压的条件下，待所述电路板卡温度稳定后，测量所述卡环境温度和所述主控芯片的核心温度，并且由此计算所述主控芯片的核心温度与所述卡环境温度的温差；核心温度升温过程；最大核心温度测量过程，测量所述电路板卡濒临失效或者性能下降时的所述主控芯片的核心温度作为所述主控芯片的最大核心温度；以及最大耐热温度计算过程，基于所测量的所述主控芯片的最大核心温度和上述温差，计算所述电路板卡的最大耐热温度。

Description

电路板卡耐温性分析方法

技术领域

本发明涉及一种电路板卡耐温性分析方法，特别涉及一种室温工况下测试PCIE板卡的最大耐热温度的方法。

背景技术

PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)是最新的总线和接口标准。PCIE板卡分多种类型，一般在服务器中PCIE板卡主要有SSD(Solid State Drive)卡、外插卡等。卡的种类不一样实现的功能也不一样。这些板卡在服务器内的位置没有统一的标准，有的布置在服务器主板前段，优先冷却；有的分布在服务器主板后端，被从CPU散热器出来的热风冷却。这样就造成了PCIE板卡处在各自不同的卡环境温度下，如果PCIE板卡所处的卡环境温度过高，会影响PCIE板卡的性能。如用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘SSD(Solid State Drive)卡是由主控芯片和Flash芯片组成，芯片自身是发热元件，在高温下，Flash芯片容易过热，这种情况下芯片自身会限制读写速率，降低SSD卡本身的读写性能，所以研究PCIE板卡耐热性具有很重要的意义。FLASH芯片是应用非常广泛的存储材料。

PCIE板卡类耐温性能测试方法中涉及到温度的监控和采集。PCIE板卡的主控芯片里有温度传感器，根据厂商给出的指令能够直接读取主控芯片里的温度，即可获得主控芯片的核心温度。监控PCIE板卡附近的空气温度(卡环境温度)，则使用热电偶，连接温度采集仪，就可以读取卡环境温度。热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。

目前PCIE板卡类耐温性能测试方法，是使用恒温恒湿箱提供一个高温环境，使得PCIE板卡处在一个较高温度的环境下，运行相应的软体软件，监控PCIE板卡的读写性能。当温度达到某一数值时，PCIE板卡性能会下降或者失效。记录板卡环境温度，这个温度就是PCIE板卡的耐热性温度。目前的测试方法中最重要的设备就是恒温恒湿箱，它为测试系统提供一个恒定的温度环境，为高温测试提供一个稳定的环境，能够较便捷的测试出PCIE板卡的最大耐热温度。

发明内容

<要解决的技术问题>

目前PCIE板卡类测试的方法，所用到的设备中最重要的是恒温恒湿箱。由于恒温恒湿箱比较昂贵，不是所有公司企业能都承担的起。针对目前互联网高速发展下的互联网公司，对PCIE板卡使用越来越频繁，使用量也越来越大。而这些互联网公司平时又不需要恒温恒湿箱这些热测试设备，因此一般不会专门去购买这样昂贵的专业设备。在缺少恒温恒湿箱的条件下，公司企业就无法测量出PCIE板卡的耐热温度值，同时也无法横向对比不同品牌板卡的耐热性能。

<解决技术问题的技术方案>

针对现有技术中测试PCIE板卡耐热性必须使用恒温恒湿箱提供高温环境，而目前的互联网公司企业缺少这一设备，就无法测量PCIE板卡耐热温度的问题，本发明从传热机理上研究了热量传递的过程，研究出一种等效的方法，通过测试在室温环境下PCIE板卡主控芯片的核心温度，推算出PCIE板卡的最大耐热温度。此方法，方便可行，比较适合缺少环境测试设备的公司测试PCIE板卡的耐热温度，从而提供选型或部署依据。

根据本发明，提供了一种电路板卡耐温性分析方法，用于在室温工况下测试所述电路板卡的最大耐热温度，所述电路板卡的最大耐热温度是指，当在所述电路板卡的周围的冷却气流保持在工作状况下的预定风量和风压的条件下、所述电路板卡濒临失效或者性能下降时所对应的所述电路板卡附近的卡环境温度，所述室温工况是指所述电路板卡未处于恒温恒湿箱内而处于室温环境的工况，所述方法包括：温差测量过程，在所述室温工况下，在所述冷却气流保持在工作状况下的预定风量和风压的条件下，待所述电路板卡温度稳定后，测量所述电路板卡附近的卡环境温度和主控芯片的核心温度，并且由此计算所述主控芯片的核心温度与所述卡环境温度的温差；核心温度升温过程，使得所述主控芯片的核心温度升高，同时监控所述电路板卡的性能；最大核心温度测量过程，测量所述电路板卡濒临失效或者性能下降时的所述主控芯片的核心温度作为所述主控芯片的最大核心温度；以及最大耐热温度计算过程，通过将所测量的所述主控芯片的最大核心温度(Tjmax)减去所计算的所述主控芯片的核心温度(Tj)与所述卡环境温度(Ta)的温差(ΔTja)，来计算所述电路板卡的最大耐热温度(Tamax)，其中，所述主控芯片包括温度传感器，所述主控芯片的核心温度是通过读取所述主控芯片的温度传感器而测量的。

<技术效果>

本耐热性分析方法简化了现有技术中的标准测试方案，无需恒温恒湿箱，既经济也有效。虽然在精度上不如现有技术的恒温恒湿箱测试方法高，但是其精度已足够满足互联网公司平时测试的需求，而同时由于无需使用恒温恒湿箱，从而在测试设备成本上大大降低。此方法适合PCIE板卡使用量较大而精度要求不是特别高的互联网公司，也适合规模较小的OEM或SI厂商。当前业内，暂无如此简单有效的板卡耐温性测试方案。

附图说明

图1是PCIE板卡的热量传导过程的示意图。

图2是根据本发明的实施例的流程图。

具体实施方式

<本发明的理论原理和实验验证>

本发明创新在于传热学理论支持，以傅里叶热传导定律和牛顿冷去定律为基础，研究热量从PCIE板卡的主控芯片传导至散热器表面，再与冷气流对流换热，热量最终被冷却气流带走的过程。经过发明人的研究发现：同一张PCIE板卡在不同的环境温度下导热系数λ值基本不变。

如图1所示，PCIE板卡包括封装体1、由封装体1封装的主控芯片的核心2、位于封装体1的表面上的导热材料3、以及贴附在导热材料3上的散热器4。图1中的箭头示出了热量传导过程，热量从处于核心温度Tj的核心2传导到导热材料3，再由导热材料3传导到散热器4。散热器4与散热器4表面的空气发生热量交换，从而将热量传导给其附近的空气环境(即，PCIE板卡附近的卡环境)。其中，主控芯片的核心2的温度是Tj，散热器4的表面温度是Tc，PCIE板卡附近的空气环境温度(卡环境温度)是Ta，室内环境的温度是Tr。

注意：由于PCIE卡一般是在机箱里，考虑到机箱整体的散热性不可能是理想情况，因此实际中，PCIE卡附近的卡环境温度Ta(小环境)与室内环境(大环境)的空气温度Tr一般是不一样的，一般来说，卡环境温度Ta会高于室温Tr。本申请中的“室温工况”是指所述电路板卡未处于恒温恒湿箱内，而是处于室温的大环境下进行测试的工况，而不应当理解成卡环境温度Ta本身严格处于室温。此外，具体的室温根据季节的不同或者室内空调的设定不同而不同，处于一个通常的范围中。本发明的测试不依赖于具体室温为多少度，因此本申请中的“室温”泛指室内通常能够实现的温度，而不应当被解释为一个狭义具体的值。

首先，描述从主控芯片核心2的核心温度Tj到散热器4的散热器表面温度Tc的传热过程。

本发明人发现图1中从核心2的核心温度Tj到散热器4的散热器表面温度Tc的传热过程在达到动态热平衡时，可以用傅里叶导热定律来简化描述。傅里叶定律表述为：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。这里，根据傅里叶定律，可以将图1中从核心2的核心温度Tj到散热器4的散热器表面温度Tc的传热过程简化表达成如下公式：

傅里叶导热定律：Φ＝A1·λ(Tj-Tc)/δ (1)

Φ:传递总热量，单位为W(瓦特)；

A1：传热面面积，这里主要由封装体1的封装工艺构造以及导热材料3的横截面积综合决定；

λ：材料的导热系数，是表征材料导热性能的物性参数，导热系数λ是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/(米·度)，W/(m·k)；

δ：材料的厚度；

Tj：主控芯片核心温度；

Tc：散热器表面温度；

由于Φ、A1、λ、δ在不同的温度工况下均保持不变，所以(Tj-Tc)也不变。

为了通过实验来验证以上简化理论模型的准确性，本实验分析在Dell 2U的服务器里安装FusionIO 3.2T卡，在不同环境温度工况下，测量散热器表面温度Tc、主控芯片核心温度Tj。Dell 2U的服务器虽然不是恒温恒湿箱，但是在有限温度范围内可以粗略地调节模拟恒温恒湿箱所能生成的不同的环境温度工况。但是其温度调节模拟范围有限，不能升到使得板卡濒临失效或者性能下降的环境温度工况，因此，无法用于替代恒温恒湿箱来测试板卡的最大耐热温度。但是，可以用来实验性地验证本发明的简化理论模型的可行性。

从下表1实验数据中可以看出△T1(即Tj-Tc)变化较小，由于相同的工作状态，功耗Φ不变，所以可以反推验证导热系数λ可以被认为是常数。

表1：

接下来，将描述从散热器4的散热器表面温度Tc到卡环境温度Ta的传热过程。

该传热过程可以用牛顿冷却定律(Newton's law of cooling)来简化描述。牛顿冷却定律是描述温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。这里根据牛顿冷却定律，可以将从散热器4的散热器表面温度Tc到卡环境温度Ta的传热过程简化表达为：

牛顿冷却定律：Φ＝A2·h(Tc-Ta) (2)

Φ:传递总热量，单位为W(瓦特)，在热平衡状态下，与上面傅里叶导热定律中的Φ值相同；

A2：对流换热面积，主要由散热器4的表面散热面积决定；

h：对流换热系数，对流换热系数h是流体与固体表面之间的换热能力，比如说，物体表面与附近空气温差1℃，单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量，单位为W/(m^2·℃)；在PCIE板卡周围的冷却气流的风量和风压保持不变的情况下，不同温度工况下，对流换热系数h也保持不变，换言之，h只取决于冷却气流的风量和风压条件，与温度工况无关；

Tc：散热器表面温度；

Ta：PCIE板卡的卡环境温度。

由于Φ，A2，h在不同的温度工况下均保持不变，所以Tc-Ta也不变。

下面通过实验来验证以上牛顿冷却定律简化理论模型的准确性。强迫对流换热系数h一般取值90-140之间，h的大小取决于冷却风量和风速的大小。由于本实验使用Dell 2U服务器作为实验系统，并且设定所有系统风扇在不同温度工况下都是最大转速，保证风量、风压都不变，故理论上认为h保值不变。实际以FusionIO 3.2T实验测试为对象，也验证了冷却气流的风量和风压保持不变的情况下h保持不变。具体而言，从表2中数据分析出△T2变化较小，所以反推h为常数。

表2

散热器表面温度Tc(℃)	卡环境温度Ta(℃)	△T2＝Tc-Ta
			35.4	27.1	8.3
61.8	53	8.9
			67	58.3	8.7
86.9	78.1	8.8

所以在保持测试环境的风量风压不变的情况下，由上述公式(1)和公式(2)可以推导出总的传热公式：

Φ＝[A1·A2·λh/(δ·A2·h+A1·λ)]·(Tj-Ta)

即，Φ＝C·(Tj-Ta) (3)

C＝[A1·A2·λh/(δ·A2·h+A1·λ)]

在保持测试环境的风量风压不变的情况下，C＝[A1·A2·λh/(δ·A2·h+A1·λ)]也是常数。

由上可知，PCIE卡在相同的功耗负载下，Φ不变，因此Tj-Ta也保持不变。所以不同的环境温度工况下，PCIE板卡主控芯片核心温度Tj只与所处的卡环境温度Ta有关系，且两者的温差ΔTja＝Tj-Ta始终为常数。

也就是说，如果冷却气流的风量和风压保持不变(即，h为常数)，则在不同的环境温度工况下，不管Tj和Ta如何变化，达到热稳定状态时其两者的温差ΔTja＝Tj-Ta始终为常数保持不变。

基于上述理论模型和实验验证的发现，所以PCIE板卡的耐热温度测试就转换成为测试出室温工况下Tj-Ta数值，并且在测试出PCIE板卡濒临失效时的主控芯片核心温度Tjmax值，Tjmax值是在测试过程中控制冷却气流的风量和/或风压，使得芯片核心温度Tj慢慢提高到PCIE板卡濒临失效或者性能下降时所达到的最大值。一旦在某个环境条件下测量到Tjmax，即使改变冷却气流的风量或风压，或改变周围环境温度工况，主控芯片核心温度Tjmax也是固定的，不会受外界影响。

由上可知，我们可以近似认为，如果在冷却气流的风量和风压保持为工作状况下的预定风量和风压，在室温工况下在热传递过程达到热稳定后，通过测量此时的Tj和Ta,得到的ΔTja＝Tj-Ta始终为常数，即使环境温度升高，Ta和Tj都升高，Tj与Ta的温差ΔTja始终保持不变。这样只用设法测量出主控芯片核心温度Tjmax，就能推算出PCIE板卡的最大耐热环境温度值，即Tamax＝Tjmax-(Tj-Ta)。

<根据本发明的实施例的测试流程>

基于上述简化理论模型和实验验证，本申请的发明人构思出了无需恒温恒湿箱的板卡最大耐热温度Tamax的测试方法。

测试系统采用Dell 2U服务器作为测试环境，使用热电偶监控PCIE板卡的卡环境温度Ta，通过读取主控芯片中自带的温度传感器监控主控芯片核心温度Tj，并且用温度采集仪采集这两点数据。

图2示出了根据本发明的实施例的测试方法的流程图。

如图2所示，在室温工况下保证风扇均全速转动，以使得冷却气流保持在工作状态下的预定风量和风压，待PCIE板卡温度稳定(即，与周围环境达到了热平衡)后，测量此时的卡环境温度Ta和主控芯片的核心温度Tj，并且由此计算此时两者的温差ΔTja＝Tj-Ta(步骤S201)。

去掉适当的系统风扇(即，降低风量和/或风压)，以使主控芯片的核心温度Tj升高，同时监控板卡的性能(步骤S203)。

在主控芯片的核心温度Tj升高过程中，如果未达到PCIE板卡濒临失效或者性能下降的状态就继续升温(S205:否)。

如果监控到PCIE板卡濒临失效或者性能下降(步骤S205:是)，则记录PCIE板卡濒临失效或者性能下降时的主控芯片的核心温度Tj作为最大核心温度Tjmax(步骤S207)。

计算板卡的最大耐热温度Tamax＝Tjmax-ΔTja(步骤S209)。

根据前面解释过的本发明的原理，本领域技术人员应该明白，图2仅仅是示意性的流程图。本发明不限于此实施例。例如，图2中测量Ta,Tj的过程S201可以是独立于用于测量Tjmax的过程S203至S207，即先后关系是无关紧要的，只要能测出用于计算温差ΔTja的温度Tj和温度Ta，与主控芯片的最大核心温度Tjmax即可，先测ΔTja还是先测Tjmax都不影响本发明的实现。

此外，虽然图2中S203中采用的是降低风量和/或风压的方式来使得主控芯片的散热变差，从而核心温度Tj升高。但是，本发明不限于此，本领域技术人员还可以使用别的方式使得主控芯片的核心温度Tj升高，例如，通过向所述PCIE板卡附近供应暖风的方式；再例如，还可以将降低风量和/或风压的方式与向所述PCIE板卡附近供应暖风的方式组合运用。总之，只要能实现使得Tj温度升高从而能测量Tjmax即可，不限于上述已举例的升温方式。

以上示出的本发明的测试方法的关键点，在于从理论分析得出：在特定的环境下，室温和高温状态下，保持风量风压不变的环境下，得出导热系数λ和对流换热系数h不变，从而进一步得出上面的公式(3)：Φ＝C·(Tj-Ta)，系数C为常数不变。通过这一结论，本发明相对于现有技术的创新点在于：只测试室温环境下的主控芯片核心温度Tj以及卡环境温度Ta，再另外测出PCIE板卡濒临失效或者性能下降时的主控芯片的核心温度Tjmax，从而间接推算出PCIE板卡濒临失效或者性能下降时最大耐热温度Tamax。根据本发明的原理，本发明不需要恒温恒湿箱设备，在室温环境下测试实验，就可以得到PCIE板卡最大耐热温度Tamax。与之对比，现有技术中是利用恒温恒湿箱直接测量最大耐热温度Tamax，需要用到的恒温恒湿箱设备成本高昂。

上述实施例仅是本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施例进行各种修改和改变。因此，本发明意在涵盖落入如权利要求所限定的本发明的范围之内的所有这样的修改或变型。

附图标记列表

1 封装体

2 核心

3 导热材料

4 散热器

Claims (5)

1.一种电路板卡耐温性分析方法，用于在室温工况下测试所述电路板卡的最大耐热温度(Tamax)，所述电路板卡的最大耐热温度(Tamax)是指，当在所述电路板卡的周围的冷却气流保持在工作状况下的预定风量和风压的条件下、所述电路板卡濒临失效或者性能下降时所对应的所述电路板卡附近的卡环境温度(Ta)，所述室温工况是指所述电路板卡未处于恒温恒湿箱内而处于室温环境的工况，

所述方法包括：

温差测量过程，在所述室温工况下，在所述冷却气流保持在工作状况下的预定风量和风压的条件下，待所述电路板卡温度稳定后，测量所述电路板卡附近的卡环境温度(Ta)和主控芯片的核心温度(Tj)，并且由此计算所述主控芯片的核心温度(Tj)与所述卡环境温度(Ta)的温差(ΔTja)；

核心温度升温过程，使得所述主控芯片的核心温度(Tj)升高，同时监控所述电路板卡的性能；

最大核心温度测量过程，测量所述电路板卡濒临失效或者性能下降时的所述主控芯片的核心温度(Tj)作为所述主控芯片的最大核心温度(Tjmax)；以及

最大耐热温度计算过程，通过将所测量的所述主控芯片的最大核心温度(Tjmax)减去所计算的所述主控芯片的核心温度(Tj)与所述卡环境温度(Ta)的温差(ΔTja)，来计算所述电路板卡的最大耐热温度(Tamax)，

其中，所述主控芯片包括温度传感器，所述主控芯片的核心温度(Tj)是通过读取所述主控芯片的温度传感器而测量的。

2.根据权利要求1所述的电路板卡耐温性分析方法，

其中，所述电路板卡是PCIE板卡。

3.根据权利要求1所述的电路板卡耐温性分析方法，

其中，所测量的卡环境温度(Ta)是通过使用热电偶而测量的。

4.根据权利要求1所述的电路板卡耐温性分析方法，

其中，在所述核心温度升温过程中，通过降低所述冷却气流的风量和风压中的至少一个来使得所述主控芯片的核心温度(Tj)升高。

5.根据权利要求1所述的电路板卡耐温性分析方法，

其中，在所述核心温度升温过程中，通过向所述电路板卡附近供应暖风的方式来使得所述主控芯片的核心温度(Tj)升高。