一种大功率元器件的散热测温一体化结构的制作方法

1.本发明涉及高性能处理机结构设计技术领域，具体为一种大功率元器件的散热测温一体化结构。


背景技术：

2.目前星载高性能计算平台的单机特点是计算节点多，机箱内空间狭小，印制板布局密度大。产品进行摸底测试、热循环、热平衡等试验时，常规针对器件、功能模块的热测试手段，包括热敏电阻、热电偶、铂电阻以及非接触式红外成像仪等。
3.其中，pt100热敏电阻尺寸小，安装形式多样，可粘接在器件测温位置，通过在一端引出线与内部印制板焊接。印制板上需增加ad采集模块及一些基准电压等器件，占据较多的印制板的空间，在印制板布局密度较大的情况下不方便使用。
4.铂电阻点温计，测量时将点温探头粘贴在被测位置，如需测产品内部器件的温度，使用时在结构件适当位置开孔将点温计探头引入产品内部，一个铂电阻点温计显示设备可连接一个测温探头，如测试点偏多，则需多个铂电阻点温计设备，可用于前期桌面调试期间使用，不适用于产品在模拟真实环境的热试验中使用。
5.在温度采样中，选择铂电阻、热敏电阻、热电偶传感器3种用作测量探头，得到的测量值都是模拟量，不利于传输与显示，得到的结果在传输过程中都难以避免产生误差，随着单板与整机结构的复杂，传输损耗还将继续加大。
6.数字温度传感器tmp175，sop封装，数字输出，两个两线制串行接口件，tmp175特有一个与smbus相兼容的两线，并且tmp175允许在一条总线上使用多达27个器件，该类器件焊接在印制板测温器件的就近区域或器件背部，无法直接测量器件壳温，因此测量温度与器件实际温度存在偏差。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种大功率元器件的散热测温一体化结构，可以直接测量大功率元器件的壳温，减少测量温度与器件实际温度的误差，实现系统在运行时同时满足散热与温度测量的功能升级，为产品可靠性提供技术支撑。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种大功率元器件的散热测温一体化结构，包括与大功率元器件一体化设置的散热器，大功率元器件设置在pcb上；
10.所述大功率元器件的周边设置有第一温度传感器；
11.所述散热器的内部嵌入有第二温度传感器，第二温度传感器的管腿焊接有电路板，电路板的一端与pcb连接。
12.优选地，所述第二温度传感器设置在散热器的内部几何中心位置处。
13.优选地，所述第二温度传感器通过高温导热胶固定在散热器的内部。
14.优选地，所述第二温度传感器的管腿采用甩线的方式与电路板焊接。
15.优选地，所述第二温度传感器采用一线式数字温度传感器，包括温度采集模块、一线网接口和rom区温度存储模块。
16.优选地，所述一线式数字温度传感器，设置有多个，多个一线式数字温度传感器并联并通过一根端口线与pcb的处理器的输入端口连接。
17.优选地，所述温度采集模块的温度测量范围为
–
55℃-+125℃。
18.优选地，所述pcb采用6u-vpx标准架构。
19.优选地，所述第一温度传感器采用tmp175数字温度传感器。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明提供一种大功率元器件的散热测温一体化结构，结合pcb上的大功率元器件布局情况，将散热器与大功率元器件的结构框架进行一体化设计，同时在散热器内部嵌入温度传感器，将对结构的散热设计和测温电路进行有机的结合与重构，形成散热测温一体化结构，该结构包括设置在大功率元器件周边的第一温度传感器和嵌入大功率元器件上的散热器内部的第二温度传感器，能够准确且实时测量整机热试验时各功能模块上大功率元器件周边的温度同时，由于本发明中将第二温度传感器嵌入至散热器内部，代替设置在印制板测温器件的就近区域或器件背部，可以直接测量大功率元器件的壳温，减少测量温度与器件实际温度的误差，实现系统在运行时同时满足散热与温度测量的功能升级，为产品可靠性提供技术支撑，同时温度传感器测量得到的数字信号通过电路板逐级传送，通过pcb的处理器完成数据接收，最终对外输出读取到的大功率器件的壳温，避免在传输过程中的传输损耗。
附图说明
22.图1为本发明散热测温一体化结构示意图；
23.图2为本发明实施例第二温度传感器功能框图；
24.图3为本发明实施例散热测温一体化结构功能分布组成图。
25.图中，大功率元器件1，散热器2，第一温度传感器3，第二温度传感器4，电路板5，接插件6，插板框架7，一线式数字温度传感器8，1-wire接口转换芯片9，软线10，通信总线11，地面pc机12。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示，本发明一种大功率元器件的散热测温一体化结构，大功率元器件1设置在pcb上，包括与大功率元器件1一体化设置的散热器2；
28.所述大功率元器件1的周边设置有第一温度传感器3；
29.所述散热器2的内部嵌入有第二温度传感器4，第二温度传感器4的管腿焊接有电路板5，电路板5的一端与pcb连接。
30.本发明结合pcb上的大功率元器件1布局情况，将散热器2与大功率元器件1的结构
框架进行一体化设计，同时在散热器2内部嵌入温度传感器，将对结构的散热设计和测温电路进行有机的结合与重构，形成散热测温一体化结构，该结构包括设置在大功率元器件1周边的第一温度传感器3和嵌入大功率元器件1上的散热器2内部的第二温度传感器4，能够准确且实时测量整机热试验时各功能模块上大功率元器件1的温度同时，由于本发明中将第二温度传感器4嵌入至散热器2内部，代替设置在印制板测温器件的就近区域或器件背部，可以直接测量大功率元器件1的壳温，减少测量温度与器件实际温度的误差，实现系统在运行时同时满足散热与温度测量的功能升级，同时温度传感器测量得到的数字信号通过电路板5逐级传送，通过pcb的处理器完成数据接收，最终对外输出读取到的大功率器件的壳温，避免在传输过程中的传输损耗，尤其是随着单板与整机结构的复杂，传输损耗会显著加大，导致测量误差增大，本发明提供的结构的优势也会更加显著。
31.本发明针对目前高性能单机计算节点多，机箱内空间狭小，印制板布局密度大的特点，解决了传统测温手段无法准确有效地采集元器件的热试验数据的问题，能够通过获得的数据判断大功率器件的降温是否满足降额要求，可指导结构散热设计的优化迭代，是产品可靠度保证的有利技术支撑。
32.本实施例中，所述第二温度传感器4通过高温导热胶固定在散热器2的内部。
33.本实施例中，所述第二温度传感器4的管腿采用甩线的方式与电路板5焊接。
34.本实施例中，所述第二温度传感器4采用一线式数字温度传感器8，包括温度采集模块、一线网接口和rom区温度存储模块。
35.本发明采用数字温度传感器，在采集阶段就能完成数据的ad/da转换，将数字信号通过线缆引出，从而简化温度显示与传输部分的电路设计，同时提高了可靠性。
36.进一步地，如图3所示，当在印制板布局密度较大的情况下，多个一线式数字温度传感器8之间通过多跟端口线并联后汇总由一根软线10通过1-wire接口转换芯片9与pcb的处理器的输入端口连接，并与地面pc机12连接进行状态监控，pcb的处理器完成数据接收并进行数据重组后，最终接入整星通信总线11中，pcb处理器只需要设置一个端口即可，可以满足连接要求，在满足功能需求的同时节省印制板的布局空间。
37.本实施例中，pcb采用6u-vpx标准架构，开展功能插板的散热测温结构一体化设计，pcb上的第一温度传感器3使用表贴封装的tmp175数字温度传感器，可用于测量和读取pcb板上大功率器件周边的温度。本实施例中，第二温度传感器4采用ds18b20温度传感器，在保证不破坏结构完整性的前提下，散热器2内部几何中心位置处，即被测大功率器件的几何投影正上方嵌入ds18b20温度传感器，通过设计保证温度传感器嵌入的深度，使传感器的感温陶瓷区域与散热器和芯片的接触水平面齐平，并通过高温导热胶固定，设计针对该传感器的电路板5(sensor-pcb)，传感器管腿采用甩线的方式焊接在电路板5上，信号通过电路板5逐级传送，最终对外输出读取大功率器件的壳温，原理如图1所示。
38.本实施例中，如图2所示，数字温度传感器型号为ds18b20，是一种低功耗12位adc的高精度温度传感器，内置温度采集模块、一线网接口、rom区温度存储等多个功能部分。
39.ds18b20一线式数字温度传感器，具有3引脚to-92小体积封装形式，温度采集模块的温度测量范围为
–
55℃-+125℃，在
–
10℃-+85℃的范围内精度能够达到0.5℃，并在750ms以内完成温度采集、转换并存储到rom区温度存储模块中；可编程9-12位a/d转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可
在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个ds18b20可以并联到2根或3根线上，cpu只需一根端口线就能与诸多ds18b20通信，占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
40.其中，1-wire总线是一种简易总线形式，仅由1跟信号线组成，既可以外部独立供电，也可以同时进行数据传输与供电，且通信速率可灵活配置，最高可达到100kbps量级，所有的读写、查询等命令都遵循制定好的逻辑，使用方便。
41.基于上述的一线式数字温度传感器8的结构与通信形式，将传感器上的所有信号通过线缆直接引出，通过短线缆将传感器从结构中引出，直接焊接在印制板上，通过印制板的处理器完成数据接收，作为状态监控信息的一部分由处理器完成数据重组最终接入整星通信总线中。
42.本发明提出的结构可以在卫星、飞船、空间站等宇航高性能嵌入式计算机在轨运行及其相关热试验中广泛应用。
43.本发明可以根据试验数据，包括获得的大功率元器件壳温，并通过器件结壳热阻公式计算，进一步调整散热测温一体化结构框架设计方案的构型、壁厚、散热器尺寸等特征设计参数。
44.若大功率器件的结温无法满足一级降额的要求，即以当前设计为基线，以控制变量的思想进行迭代设计。如通过调整一体化散热框架设计方案的构型、以毫米为量级增加框架壁厚尺寸、散热器翅片间距及厚度等特征设计参数，并加工相对应设计更改的结构样件来对比散热效果，以确保大功率关键器件满足一级降额，同时产品结构不会出现重量、尺寸、抗力学性能等方面较大的冗余设计，即找到力学与散热协同设计的平衡点。采用控制变量对比验证设计的同时，可将变量参数输入在热仿真软件中，对比仿真结果和真实试验数据的偏差，调整相关热仿真设计参数，如网格尺寸，接触热阻值等设定，使得仿真结果与实际测算数值保持较高的拟合度。这些仿真设定的参数可较客观的作为工程经验数据，对日后同类型的设计和热仿真分析工作具有指导意义。
45.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。