Как спроектирована тепловая структура оптических модулей OSFP?

Потребляемая мощность сверхскоростных оптических модулей с 400G ОСФП и более высокие показатели значительно возросли, что делает управление тепловым режимом критической проблемой.

Для оптических модулей в корпусе OSFP протокол явно определяет диапазон импеданса рёбер радиатора. В частности, когда давление охлаждающего газа не превышает порогового значения TH1, а воздушный поток не превышает порогового значения TH2, температура модуля должна быть не выше указанного значения, а импеданс воздушного потока рёбер радиатора должен оставаться в безопасной зоне между верхней и нижней предельными кривыми.

Если структура теплоотвода изменится, приблизив его характеристическую кривую к верхнему пределу, температура модуля под действием постоянного давления воздуха будет расти. Для поддержания постоянной температуры необходимо увеличить давление воздушного потока.

Давайте сначала рассмотрим существующее решение по корпусированию OSFP, как показано на схеме ниже, которая иллюстрирует внутреннюю структуру оптического модуля с радиатором в случае, когда тепловыделяющие компоненты относительно велики.

В этой схеме, когда высота теплогенерирующих компонентов значительна, их высокая тепловая мощность сжимает высоту ребер радиатора в соответствующем месте, создавая дефект теплоотвода.

В традиционных схемах высота рёбер радиатора постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению площади поперечного сечения каналов воздушного потока между рёбрами и повышению импеданса до предельно допустимого значения, установленного протоколом (как показано на диаграмме давления воздуха и воздушного потока выше). Это затрудняет проникновение охлаждающего газа к задней части модуля, создавая риск локального перегрева. Для решения этой проблемы FiberMall предлагает инновационную динамическую структуру теплоотвода: высота рёбер радиатора обратно пропорциональна высоте соответствующих тепловыделяющих компонентов. Чем выше тепловыделяющий компонент, тем ниже высота рёбер радиатора; чем ниже тепловыделяющий компонент, тем выше высота рёбер радиатора. В некоторых случаях рёбра, расположенные непосредственно над самым высоко расположенным тепловыделяющим компонентом, могут быть даже полностью удалены. Принципиальная схема оптического модуля FiberMall с такой тепловой структурой выглядит следующим образом:

Принципиальная схема оптического модуля FiberMall с данной тепловой структурой выглядит следующим образом:

В этой схеме внутреннего терморегулирования на входе воздуха и над первым тепловыделяющим компонентом располагаются очень низкие или совсем не располагаются ребра теплоотвода, что позволяет большему количеству охлаждающего газа достигать областей последующих тепловыделяющих компонентов.

Такой подход увеличивает площадь поперечного сечения входного отверстия на 40%, а за счёт удаления или уменьшения рёбер в зоне высокотемпературных компонентов диаметр воздушного канала увеличивается на 30–50%. Постепенно увеличивающаяся высота рёбер устанавливается над вторым и третьим тепловыделяющими компонентами.

Схема FiberMall отличается постепенно увеличивающейся высотой ребер, что в первую очередь решает проблему блокировки каналов воздушного потока в областях компонентов с высоким тепловыделением (путем удаления или опускания ребер), тем самым снижая общее сопротивление радиатора.

В базовой схеме, описанной выше, отсутствует крышка радиатора, что приводит к образованию узкого места в задней части корпуса.

Для улучшения тепловых характеристик в верхнюю часть модуля добавлена съемная крышка радиатора из алюминиевого сплава толщиной от 0.5 до 1 мм, которая точно фиксируется с помощью системы опор.

Увеличенная высота рёбер в задней части радиатора создаёт большие поперечные зазоры между ними. Крышка радиатора в сочетании с зазором над рёбрами третьего тепловыделяющего компонента образует полость, способствующую внутренней и внешней циркуляции охлаждающего газа. Кроме того, задняя часть рёбер радиатора остаётся открытой, что позволяет охлаждающему газу выходить через зазор между крышкой радиатора и каркасом.

Открытые задние ребра также позволяют охлаждающему газу вытекать из этого зазора.

Вся конструкция использует термодинамические принципы для управления потоком воздуха: охлаждающий газ впрыскивается через впускное отверстие, преимущественно протекая через каналы с низким сопротивлением в передней части, а затем перенаправляется вниз к подложке в задней области с высоким ребром.

Поднимаясь, нагретый газ выходит через зазор между крышкой радиатора и каркасом. Герметичная полость, образованная крышкой радиатора и опорными элементами, является важнейшей частью этого воздушного пути.

Экспериментальные данные подтверждают, что при потребляемой мощности 40 Вт по сравнению с традиционной схемой с равномерным оребрением:

Температура в задней зоне снижается на 12-15°С;

Сопротивление воздушному потоку снижено на 35%;

Кривая зависимости давления ветра от воздушного потока стабильно находится в середине безопасной зоны протокола.