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小封装光模块在多端口应用中的热特性
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Thermal Characieriation of Small Form Factor Transceivers
for a Multi-Port Application
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■安捷伦科技有限公司半导体产品事业部 网络解决方案分部 Steve Bowers
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评估安捷伦小封装光模块的自身发热影响进行了一系列实验，实验样品为HFCT-5952， 长距离小封装，采用LC连接器的产品。这种测试方法适用于任何一种用于多端口应用的模块产品。测试的目的是检验当产品应用于将多个模块按多源协议规定的最小间隔安装在一块电路板上时的行为特性。
这些测试专注于在一定范围内的确定环境温度和空气流速下的模块特性。有些仿真工作被包括进来，但只是作为辅助性观察，而不是与实际结果的数字上的比较。仿真结果显示了模块阵列在相应空气流速下与实际结果相类似的温度分布图，从而验证了实际结果。
测试方法
在设备安装中。风扇转速可调，以设置所需的风速；风扇入口处的热风吹管的位置可调，以设置吹过模块的气流的温度。当空气温度经过20分钟左右保持稳定后，也就是说测试仪器被认为达到了一个热平衡点，此时空气温度和模块外壳的温度都会被记录下来。调整风扇转速和热风吹管的位置，重复这样的测量以得到一定范围内的空气流速和温度条件下的值。每组测试都分别针对评估板上有4个模块和16个模块两种情况，不用的端口需用假面板盖住。
设备安装
●16通道评估板：用来安装光模块，模块间的最小间距遵从多源协议（MSA），并为光模块的发送和接收部分提供直流电源;
●气流系统，如图1所示：高温风扇带有垂直的空气入口丙烯酸透明主体U型的铝制前面板带有16个凹槽，槽间距符合多源协议的最小值，与16通道评估板相匹配;
●电源供应：带有可变电流限制器的Thurlby TSP3222，用来控制风扇转速Thurlby PL154为评估板提供电源;
●多通道温度计（Comark温度计）：带有两线的基于连接的输入以显示热电偶的测量值;
●5个热电偶：一个用于测量流经光模块的空气温度，其它附着在评估板上不同位置处的模块上;
●热源（热风吹管）和支架：吹管靠近入口以控制风扇入口处附近的温度;
●热线性风速计（由Testo制造）：用于校准风扇转速以调节测量仪器中的风速，由于高温时风速计的误差，校准是必需的。
热电偶放置
图2所示为一个光模块的热效果图，据此判断应该将热电偶放在模块外壳的什么位置。从图中可以看出，模块上表面的后端可以用来指示模块的最高温度，这是因为内部的集成电路位于模块的后端。外壳的最热部位和最冷部位的温度差值最大为2℃。封装的侧面没有测量，因为它们受垂直方向气流的影响很小。
结果总结
测量结果以图表和表格形式给出。零风速条件下的结果不包括在此分析中，这是因为风冷已经是系统热控制的通用方法。
从结果中可以看出，当环境温度为70℃，评估板上有4个模块，最差情况下的温度出现在风速为0.5米/秒时，此时模块外壳温度比周围空气温度最高高8.1℃，当风速为2.0米/秒时，这个差值减小到了最高5.6℃。
当环境温度为70℃，评估板上有16个模块，最差情况下的温度出现在风速为1.0米/秒时，此时模块外壳温度比周围空气温度最高高12.4℃。当风速为2.0米/秒时，这个差值减小到了11.0℃。
当4个光模块在空气温度55℃，风速0.5米/秒时，外壳最高温度为63.7℃。选择这个温度（55℃）是因为它符合典型的系统测试环境温度。
当16个光模块在空气温度55℃，风速0.5米/秒时，外壳最高温度为71.2℃。与预料中的一样，最差情况就出现在这个环境空气温度下。
当4个光模块在空气温度25℃，风速0.5米/秒时，外壳最高温度为44.5℃。
当16个光模块在空气温度25℃，风速0.5米/秒时，外壳最高温度为54.4℃。
进一步的实验是在安装了16个光模块并且没有风冷的情况下测量环境温度，实验表明大量的热量被传到了PCB上，且不同位置的热电偶测得的热传递值也不同。实验是在模块加电25分钟后测量温度。不过，在实际应用中这种热传递还要受其它发热器件和PCB布局的影响，这里的描述并不精确。
利用ICEPAK仿真软件对气流进行仿真
仿真是用来模拟气流经过光模块上表面的影响，见图3至5。
图3中模块上面吹过的环境空气温度是从第一个光模块附近的某一点获取的，模块表面的颜色代表了该点的表面温度。垂直线上的颜色与空气流速对应，位于图右上角的图例是其说明。
图中还显示了模块表面的热传递现象，由每个模块表面包含的不同颜色指明，从图4中可以看出它的影响。
比较图3和图4，可以看出风速增加会导致模块阵列上的温度分布图中的等温线减少。为了减少这种影响，有两种可能的方法：
1.提高风速以成比例的降低每个模块的绝对温度。由于机箱设计一般比较复杂，内部空间对设计者来说是有限的，这种方法并不可行。
2.在模块阵列上方安装一个导风装置，将气流导向模块阵列的中央区域，以补偿对于中间的模块的低冷却效率。这将提高（出风口的）空气速率，但同样会因为压降导致风速下降。
气流偏转导致的本地热点
从图5中显示了空气紊流的综合影响。由于气流冲击第1个模块，从右侧数第3个模块的温度稍高于与之相邻的两个模块，这种影响在风速较高时更加显著。不过，因为在这个实验中最大风速只有2米/秒，所以对该模块温度的影响只是比位于气流更远端的模块温度稍高。我们建议热设计者注意这个潜在的问题，因为这有可能导致产品性能和预期寿命的降低。
箭头指出该模块由于空气紊流的影响而温度升高
控制模块阵列的温度分布
导风板可以用来提高阵列中央的模块的冷却效果。图5显示了有和没有导风板情况下的仿真结果示例。尽管导风板的位置和尺寸并没有被优化，但仍可以清晰地看出它对温度分布变化的影响。不过，需要注意这种方法有可能阻碍位于气流更远端的模块的冷却，而且，还要避免导致本地热点的出现。
讨论
仿真结果得到了与实际测试相似的结果，并且证明了阵列中的模块间热相互作用的特性：
1.模块外壳温度分布与风速有关。
2.模块的物理尺寸和周围放置的模块数量能导致紊流，从而阻碍气流的冷却效果，但也可以用来减小气流近端物体引起的不希望发生的本地热效应。
3.模块表面的绝对温度与发热量的大小，环境风速和温度有关。
4.所有观测到的效果会根据构成模块的材料不同和每个模块发热量的不同而变化。这种测试方法指明了在一个典型的多端口应用中的模块热特性。
热仿真
这些仿真表明机框的物理设计能显著影响其中的器件性能和寿命，因此，在设计过程中仿真越来越成为一种重要的工具。
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