PXI-/PXIe-Systemdesign Strömende Wärme

Die PXI-/PXIe-Plattform eignet sich gut für Mess- und Automatisierungssysteme, also Applikationsumgebungen, in denen der Zuverlässigkeit hohe Bedeutung zukommt. Bei der Entwicklung eines zuverlässigen Systems dieser Art sind thermische Aspekte besonders sorgfältig zu beachten.

Zu den wichtigsten thermischen Aspekten zählt sicherzustellen, dass der Luftstrom die zu kühlenden Elemente kontinuierlich überstreicht, dass das Ansaugen unerwünschter, zusätzlicher Wärme minimiert wird, dass Sicherheitsaspekte bei der Maximierung der Luftaustrittsöffnungen berücksichtigt werden sowie dass die beste Lüfteranordnung bezüglich eines optimalen Druck-Durchfluss-Diagramms konsequent ermittelt wird.

Nicht weniger wichtig ist die Anordnung der Stromversorgung. Die Realisierung eines gezielten Pfades zur Wärmeableitung von der Stromversorgung ermöglicht eine optimale thermische Lösung. Ein leistungsfähiges PXI-/PXIe-Chassisdesign muss die Aspekte des Moduleinsatzes berücksichtigen, der den Kühlluftstrom beeinflussen kann. PXI-/PXIe-Chassis nehmen generell 3-HE-PXI-Module in einem 4-HE-Chassis auf. Bei diesem begrenzten Platzangebot sind Wärmemanagement und nachhaltige Zuverlässigkeit erhebliche Herausforderungen für den Entwickler.

Lüfteranordnung und Konfigurationsaspekte

Häufig finden sich die Lüfter eines PXI-/PXIe-Chassis am Boden des Innenraums. Eine derartige Anordnung hat jedoch die Tendenz, den Luftstrom zu erschweren oder gar zu unterbrechen, und beeinträchtigt damit die Wirksamkeit der gesamten Kühlung. Beispielsweise erreichen die Steckplätze zwischen zwei Lüftern aufgrund des ungleichmäßigen Luftstroms meist höhere Temperaturen als andere Steckplätze (siehe Bild 1). Das stellt für die Planung und Konfiguration des Systems ein Problem dar.

Die Anordnung des Lüfters an der Rückseite des Chassis kann die Gleichmäßigkeit des Luftstroms erheblich verbessern (siehe Bild 2). Unabhängig vom Einbauort erzeugt der Lüfter einen Luftstrom durch Ausblasen oder Ansaugen, je nach Drehrichtung des Lüfterrads. Beim Ausblasen entsteht eine höhere Fließgeschwindigkeit.

Die Kontrolle des Strömungspfads der Luft kann schwierig sein, und entsprechend der PXI-Spezifikation muss die Kühlluft die Module von unten nach oben umströmen, sodass die Wärme über Oberseiten-Lüftungsschlitze abgegeben wird, was Systeme in der Umgebung beziehungsweise kontrollierte Umgebungsbedingungen beeinträchtigen kann (siehe Bild 3).

Wenn der Lüfter die Luft von außen ansaugt, ist die Fließgeschwindigkeit geringer, aber auch gleichmäßiger und leichter zu steuern. Bei der Anordnung der Lüfter gilt es, den Strömungspfad der Luft sorgfältig zu analysieren. Das Vermeiden zusätzlicher Wärmequellen und die wirksame Abfuhr der Kühlluft sind wesentliche Designaspekte beim Wärmemanagement des Chassis.

Zahlreiche Anwender nutzen hybride Testsysteme und installieren ihre PXI-/PXIe-Systeme in einem Systemschrank für Racks. In diesem Fall müssen alle Wärmequellen des gesamten Hybrid-Testsystems berücksichtigt werden, nicht nur das PXI-/PXIe-System für sich allein. Wenn Lüfter, die an der Rückseite des PXI-/PXIe-Chassis angeordnet sind, Luft von außen ansaugen und über die Vorderseite des Chassis abgeben, besteht die Gefahr, dass Luft, die durch benachbarte Systeme bereits aufgeheizt wurde, angesaugt wird und sich die Wirkung des Kühlsystems somit verschlechtert.

Bei neueren PXI-/PXIe-Chassisdesigns befinden sich die Lüfter an der Rückseite. Die nicht vorgeheizte Luft wird von vorne angesaugt, über die PXI-Module geleitet und dann im rückwärtigen Teil des Chassis nach außen abgegeben (Bild 4). Dieses Konzept erzielt dauerhaft eine hohe Effizienz bei der Entwärmung des Chassis.

Optimales Design der Entlüftungsöffnungen

Die Anordnung der Entlüftungsöffnungen des Chassis ist sehr wichtig, um den Strömungspfad der Luft wirksam vorzugeben und optimale Kühlergebnisse zu erzielen. Der Ausgleich zwischen Sicherheitsanforderungen und konstruktiven Einschränkungen kann erhebliche Herausforderungen für das Design bedeuten. Die Platzierung der Entlüftungsöffnungen ist auf solche Positionen zur Be- und Entlüftung beschränkt, die den Vorgaben der PXI-Spezifikationen entsprechen.

Die Höhe der Luftöffnungen ist durch das untere Ende der PXI-Module begrenzt. Fehlplatzierungen führen typischerweise zu verschlechtertem Luftstrom an den rückseitigen Luftauslässen. Dementsprechend verfügen moderne PXI-/PXIe-Chassis nicht nur über Lüftungsschlitze an den entsprechenden Positionen an der Vorder- und Rückseite, sondern maximierte Öffnungen auf beiden Seiten und der Frontplatte steigern die Effizienz der Wärmeabführung weiter (Bild 5).

Die der Umgebung eines PXI-/PXIe-Chassis innewohnenden Beschränkungen erfordern präzise Designberechnungen, um eine optimale Konfiguration des Druck-Durchfluss-Diagramms (PQ-Kurve) und der Luftstromqualität zu erzielen. Im Idealfall sorgen ebene Luftstrompfade über längere Distanzen für maximale Lüfterleistung. Beschränkungen des Bauraums erfordern jedoch umfassende Simulationsläufe, um die optimale Neigung des Leitblechs der Backplane zu bestimmen.

Konfiguration des Stromversorgungsmoduls

Die Auswahl und Konfiguration der Stromversorgung kann eine ebenso große Herausforderung darstellen. Oft wird übersehen, dass die Stromversorgung ebenfalls Abwärme erzeugt, welche die Leistungsfähigkeit des PXI-/PXIe-Chassis beeinträchtigen kann. Die meisten herkömmlichen Designs trennen nicht den Wärmestrom der Stromversorgung vom Wärmestrom des Chassis selbst.

Häufig führt die Zwangsbelüftung der Stromversorgung zu völlig chaotischen Luftströmungen innerhalb des Gehäuses. Daher ist es wichtig, die erwärmten Luftströme der jeweiligen Bereiche voneinander zu trennen. Separate Belüftungsschlitze und Lüfter für die Stromversorgung leisten einen erheblichen Beitrag zu einer optimalen Gesamtentwärmung (Bild 6).

Die Einbeziehung einer »intelligenten« Überwachung für den Schutz, die Einstellung und Lenkung des Systems kann einen stabilen Betrieb sicherstellen. Durch die Verwendung von Temperaturfühlern im oberen Teil der Backplane lässt sich die Temperatur innerhalb des Chassis überwachen und regeln. Mittels programmierbarer Parametereinstellungen kann das System so konfiguriert werden, dass sich die Lüfterdrehzahl bei entsprechender Temperatur anpasst und somit konstante Temperaturen bei gleichzeitiger Energieeinsparung erzielt.

Erwägungen zu portablem Zubehör

Als Antwort auf die Portabilitätsanforderungen an PXI-/PXIe-Messsysteme sorgt die Ergänzung des Systems durch Bildschirm und Tastatur für ein Mehr an Benutzerfreundlichkeit. Die Ausstattung mit externem Bildschirm-/Tastaturset wandelt B-Rack-/Schaltschrank-PXI-Systeme in portable PXI-Systeme um. Wenn die Kühlung des PXI-/PXIe-Chassis nicht optimiert ist, kann die Ergänzung durch ein Bildschirm-/Tastaturset die originale Kühlleistung beeinträchtigen.

Die verbesserte Positionierung der Lüfter im hinteren Bereich des Chassis, das Ansaugen kühler Luft über die unteren Öffnungen und das Ausblasen der erwärmten Luft über die Rückseite des Systems ermöglicht es, das Bildschirm-/Tastaturset hinzuzufügen, ohne die Komponenten des Kühlsystems negativ zu beeinflussen. Abstandshalter an der Unterseite der Tastatur ermöglichen den effizienten Betrieb des unabhängigen Kühlsystems der Stromversorgung und verbessern den Komfort des PXI-Systems, ohne die Stabilität des Gesamtsystems zu beeinträchtigen.

Generell ist es wichtig, beim Gehäusedesign für PXI-/PXIe-Systeme nicht nur ausschließlich das Design des Maschinenchassis zu bedenken. Es müssen auch weitere Arbeitsumgebungen gängiger Messsysteme berücksichtigt werden. Zu den Designaspekten, die unbedingt einfließen sollten, zählen die Konfiguration der Lüfter, die Planung des Kühlluftstroms, die Auswahl der Stromversorgungen und die Leistungsoptimierung der Module, um nur einige zu nennen. Moderne PXI-/PXIe-basierte Systeme werden entsprechend den Spezifikationen entworfen und aufgebaut, sodass diese und weitere Systemanforderungen einer zuverlässigen Plattform für einsatzkritische Anwendungen erfüllt sind.

Über den Autor:

Peter Wu ist Senior Bios Engineer bei Adlink Technology.

PXI - PCI eXtensions for Instrumentation   
PXI wurde 1997 von National Instruments ins Leben gerufen und ist eine Weiterentwicklung der Standards PCI und CompactPCI (cPCI) für die Mess- und Automatisierungstechnik. Mittlerweile bieten zahlreiche Hersteller Produkte für dieses Bussystem an. Der Standard wird von der PXI Systems Alliance, kurz PXISA, mit zurzeit 54 Mitgliedern verwaltet.
Ein PXI-System besteht aus einem Gehäuse mit Einschubplätzen für bis zu 18 Module. Neben dem Controller können Module wie Datenerfassungskarten mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen, Module zur Bilderfassung oder Motorensteuerung usw. eingebaut werden. Zusätzlich zum Datenbus (kompatibel zu PCI) enthält ein PXI-System noch weitere Busse zum synchronen Takten und Triggern mehrerer Einsteckkarten.
Mit der Spezifikation PXI-5 (PXI Express oder PXIe) lässt sich PCI Express sowohl in CompactPCI als auch PXI so integrieren, dass die hohe Leistungsfähigkeit nutzbar wird, aber die Abwärtskompatibilität der Hardware gewahrt bleibt. Sowohl Treiber als auch Betriebssystemmodule können unverändert bleiben, sodass auch die Software kompatibel bleibt.