摘要:本文介绍了加固服务器的结构设计的原则、方法和步骤。重点介绍了热设计、电磁兼容
设计。
关键词:加固服务器Itanium . 2 热设计振动冲击电磁兼容低辐射
1 引言
加固 服 务 器作为高端加固计算机产品，其功率
大、稳定性要求高，对加固与电磁兼容设计提出了
较高的要求。我们设计的一款加固服务器产品综合
应用了加固结构设计与电磁兼容设计，取得了很好
的效果。
2 系统描述
服务 器 是 网络应用领域的一种关键与核心高端
设备。加固服务器是定位于野外环境，具有高性
能、高可靠性与高机动性的网络设备，同时具备加
固机产品的抗恶劣环境与电磁兼容及低电磁泄漏的
特点。本文介绍的系统采用Intel公司的主流64位
高端产品Itanium。处理器，双板4CPU (1GH:主
频)设计，提供6.4G B/S系统总线带宽，片内集
成3M三级缓存，提供强大的计算能力。内置高速
光纤接口、RJ45接口、SCSI硬盘阵列、DVD光驱
等单元，为用户提供全面高性能的1/0吞吐。各功
能单元采用模块化设计，方便使用与维护。
系统 的 高 性能带来了高功耗，大印制板尺寸、
高总线频率等诸多普通加固计算机不曾遇到的问
题，因此结构热设计、抗振动冲击和电磁兼容设计
成为本系统设计的重点与难点。
2.1 整机结构
系统 整 机 为19"标准插箱形式。整机高14U,
可上19”标准机柜。
系统 由 外 插箱与内机箱组成。内机箱通过隔振
器与外插箱相连接。整机配置与连接关系如图1所
示。
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图I 整机配置与连接关系图
2.2 外插箱
外插 箱 外 形尺寸宽19"、高14U、深500mmo
外插箱前面板由3个部分组成，分别是上部高2U
下开屏蔽小门，中部为高9U下开屏蔽门，下部高
3U电源部分。打开中部屏蔽门可对内机箱上的各
模块进行相关维修操作。结构组成与配置图见图
2。外插箱前门上布置有波导通风口，上方屏蔽活
门内有操作按纽、指示灯等。通过门上的屏蔽玻璃
观察指示灯，监视系统工作状态。后盖板上安装有
风机阵列和波导通风口。拆下后盖板，可将内机箱
装人外插箱，内机箱通过底部支撑与背侧挂支撑2
组隔振器与外插箱连接。
备用接口
图2 外插箱配置图
2.3 内机箱
内机 箱 为 框架结构，通过导槽安装系统各模
块。各模块通过背板连接。内机箱配置图如图3所
示。
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图3 内机箱配置图
2.4 模块结构
内机 箱 内 装有or模块、基础模块和M模块、
硬盘光驱模块。各模块采用类似结构形式。设计为
一个底部加强托盘，前部为金属面板。从内机箱前
部安装，通过插座与背板连接，并装有锁紧与助拔
装置。
3 加固与电磁兼容设计
3.1 热设计
加固 型 的 工作温度范围为一5℃ 一+45'C.
主板上的主要器件功率如下:
可见，基础模块与M模块的总功率都接近
500W，再加上10模块，整机总功率超过1000W
不同冷却方式的效率对比如下表所示:
发热器件功率数量
CPU 130W 2
CPU电源37W 2
内存条9W 9
FPC人芯片3W 3
D2D电源条15W 2
序号冷却方法
集中的发热功率
(W /cm')
发热功率
(W/cm3)
1 敞开式空气冷却0.015 0.0092
2 用塑料充满0.025 0.0153
3 采用导热性金属0.2 0.1226
4 用具有辐射的热导体0.5 0.308
5 强迫风冷0.7 0.429
6 液体冷却1.0 0.613
口蒸发冷却2.0 1.226
强迫 风 冷 换热是利用通风机，驱使工作气体流
经发热表面，把热量带走的一种冷却方法。由于使
用环境的限制，液体冷却与蒸发冷却方式在加固服
13 5
务器中难以实现，所以强迫风冷是一种合适的选
择。通常机柜设计中将进风口底置、出风口顶置。
考虑到本系统各模块采用横插形式，如采取通常形
式将会造成风路完全受阻，所以不宜采用。我们设
计风路如图4所示。
10模块前面板
风机风波导
通风波
础模块
林模块
后面
电源模块
图4 系统风路图
由于 本 系 统的最大发热模块为基础模块和1I
模块，其他模块的发热量远小于这2个模块，所以
系统热设计的关键是这2个模块的散热设计。
基础 模 块 和ITI模块上主要功率器件包括:2个
Itanium叱CPU, 2个CPU电源，其热设计参数:
Itan ium 叱 处理器最大功率130瓦，允许工作
壳温为5一8590;
CPU 电 源 工作效率0.78一0.79，安装散热器
后允许工作环境温度5一609C。
模块 中 的CPU最大功耗约130x 2 /0.78二
333wo
对于 处 理 器，设计运行壳温Tcpu= 8 59C。散
热器热阻为R= 0 .2 19C/W (在风速约4m /s时)
所以散热器冷端温度为:
T傲热 器 =T cp,一Rx P .p,=8 5 一0.21 x 13 0二85-
27.3 = 57.7℃ 系统最高环境温度为T环境=4590，
送风温差为:
OT = 5 7 .7 一45=12.7 ℃
系统 送 风 温差12.79 C，因此2个处理器及其
电源的风量不小于:
q= P/ ( PCPAT)=333/(1.2x 1005x 12.7)
=0.00 217m3/，二49CFM我们选用FFB1248EH风
机，该风机性能曲线如图5所示:
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图5 风机性能曲线
风 机风 量 150.33 CFM，风机外形尺寸完全适
合本机结构安装，辅以适当的挡风板、导流板，使
CPU在45℃环境下稳定工作得以可靠保证。
3.2 抗强电磁脉冲冲击设计
瞬态 的 强 电磁脉冲，幅值高，上升时间快，同
时频谱很宽，可在信号线和电源线上感应出一个强
浪涌电压，直接摧毁服务器或使其不能正常工作。
服务器应从电源输人端、外插箱的结构设计和滤波
器选择等多个方面采取措施，以满足抗电子战的要
低辐 射设计
(1)印制板的设计遵循相应的EMC设计规
在满足要求的条件下尽可能的选取功耗小、电
磁发射低和电磁抗干扰强的器件。
(2 )在 电 源交流输人端加装二级滤波器(在
6.5A时，插人损耗40dB)，以减少传导发射和降
低敏感性。
(3) 低 辐 射结构设计
①外 插 箱 选用屏蔽性能好的金属材料，并在所
有缝隙之间加电磁屏蔽材料，保证整体良好导电
性。
②在 开 启 活动部位设计有铁铜簧片(屏蔽效
能80dB)，安装方式采用平压式安装。
③对 外 接 口(如指示灯、串口、USB口和IC
卡等)安装在屏蔽门内，屏蔽门上加装屏蔽玻璃
以便于观察。指示灯后加装波导管。在对外网络接
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口(RJ45)处加装网络滤波器。
④通 风 口 的面积和尺寸由于较大，采用钢制屏
蔽蜂窝通风板。
(4) 引 出 的通信电缆线采用光纤方式，光纤
内外连接处设计有波导管(波导管长度直径比大
于6)，内部连接线缆上装人EMI吸收磁环和磁珠
等。
(5) 滤 波 器要接地良好。外插箱不仅与主板
地线可靠相连，还应与电源插头的地线相连，而且
外壳上还应设有专门的接地点。
(6 ) 系统 线缆的走向、机箱开孔位置和开孔
尺寸的布局合理，最大限度地抑制电磁祸合和电磁
发射。
3.4 抗振动设计
由于 加 固 服务器要满足GJB332A- 98加固型a
类，所以为保证其可靠性，对系统进行抗振动优化
设计是必需的。
3.4.1 电路板的抗振动设计
对印 制 板 的设计，我们主要采取的措施是提高
印制板的结构强度，具体讲为:增加与机箱的螺钉
固定点，在印制板上安装加固零件;对于大质量、‘
大尺寸的器件，采用粘接、螺钉紧固、捆扎等方法
来提高固有频率和抗振强度。在布局设计时，质量
大的元件靠近印制板的安装点，并尽量使元件刚度
高的方向与外部激励的主振方向重合。
3.4.2 内机箱的去谐设计
去谐 是 指 避免结构内部的局部共振现象。我们
采取的措施是在印制板的安装部位增加局部刚度，
均匀布置印制板安装点的方法。
3.4.3 内机箱的去祸设计
我们 对 内 机箱实行等刚度设计，以求质量均
布，消除内部的振动藕合。
3.4.4 内机箱隔振设计
由于 内 机 箱的宽高比H/B> 1 ,重心较高，所
以我们采用复合支撑式隔振连接，即同时采用底部
承重支撑与背侧稳定支撑。这样就解决了内机箱重
心高的减振问题。
我们 选 择 不锈钢钢丝绳隔振器是固有频率较低
的隔振器。这种隔振器的刚度具有渐软的非线性，
在振动区隔振器较硬，保证设备的稳定性。随振幅
的增大，隔振器逐渐变软，使固有频率远离激励频
率，起到对系统的隔振作用。同时它的固有阻尼又
使隔振器可以吸收和耗散大量的低频与高频振动。
在共振频率下放大倍率不大于3.5倍，使振动的传
递大大降低。尤其在强冲击下产生弹性变形，在大
变形的同时吸收大部分的冲击能量。
本机 最 大 单振幅0.4m m，静变形1.8m m，放
大倍率为3.5，振动时最大位移为:
1. 8 +0 . 4 x2x3.5=4.6mm
设计 中 内 机箱与外机箱在空间6个方向的间距
都大于15mm，所以各个方向都不会产生磕碰，保
证系统在振动冲击条件下可靠工作。
3.4.5 外插箱的抗振动设计
在 内机 箱 采取了相应抗振动冲击措施的情况
下，外插箱设计成全金属结构，选用高强度铝合
金，保证外插箱的结构强度。
3.5 三防设计
为保 证 系 统可靠地工作，我们采取一系列的防
护措施，所有模块均经过三防处理。外插箱设计
中，合理布局缝隙。采取先进的镀覆工艺，保证其
不锈蚀。印制板进行三防处理。
4 结论
随着 加 固 计算机向高速度方向的发展，必然带
来功率的提高，从而使得发热量大大增加，同时高
安全性要求又使得电磁兼容设计必须得到充分考
虑。我们的设计综合应用实践了大功率发热电子系
统的热设计、电磁兼容设计和抗振动冲击设计技
术，取得很好的效果，完全满足了技术指标要求，
为类似系统的加固设计探索了道路，积累了经验。
参考文献
1.朱世雄，杨荫溥.(抗恶劣环境计算机》.国防工业出
版社
2.刘恩
，1986.
德主编.《通用加固型计算机》.宇航出版社
19 94 .
3.王定华，赵家升.(电磁兼容原理与设计).电子科技
大学出版社，1995.

中船重工集团公司第七O七研究所，北京10008

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