通信基站機(jī)柜散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

呂 帥

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404）

通信基站設(shè)備主要有放大器和和射頻電路等電子設(shè)備，是移動(dòng)通信傳輸重要的組成部分［1］。這些電子設(shè)備價(jià)格昂貴且對(duì)工作環(huán)境有嚴(yán)格的要求［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的主要失效形式是熱失效，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過規(guī)定的值引起的［3，4，5］。隨著溫度的升高，電子設(shè)備的失效率成指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)［6，7，8］，基站內(nèi)溫度受環(huán)境和設(shè)備自身影響很大.同時(shí)，過高的溫度也會(huì)加快電子設(shè)備的老化。控制基站正常運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部溫度是基站運(yùn)行中非常重要的任務(wù)。

根據(jù)基站運(yùn)維公司的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通信網(wǎng)絡(luò)故障很大一部分是由基站的環(huán)境因素異常造成［9］。通信基站是一個(gè)密閉空間，大量的電子設(shè)備需要不間斷地長(zhǎng)時(shí)間工作，使基站內(nèi)部溫度不斷升高。溫度過高或者過低是影響基站穩(wěn)定運(yùn)行的一大因素［10］。因此，熱設(shè)計(jì)是基站設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于基站設(shè)備來(lái)說，散熱指標(biāo)是衡量設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

本文以新開發(fā)的基站機(jī)柜產(chǎn)品為例，探討通信基站機(jī)柜散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的幾個(gè)問題，確定散熱系統(tǒng)的主要問題和非主要問題，針對(duì)主要問題提出解決方案，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的效果達(dá)到了預(yù)期目的，證明了解決方案的可行性。

1 基站機(jī)柜現(xiàn)狀與目標(biāo)

基站機(jī)柜中有 MT－BBU、MS－TRDU和PDP等單元模塊，MT－BBU和MS－TRDU單元模塊對(duì)環(huán)境溫度最為敏感［11］。如果環(huán)境溫度過高，運(yùn)行溫度也會(huì)升高，將導(dǎo)致 MT－BBU 和 MS－TRDU單元停止工作。依據(jù)新開發(fā)的基站機(jī)柜產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，環(huán)境溫度在－40℃～48℃范圍內(nèi)，設(shè)備能夠正常運(yùn)行，因此，解決機(jī)柜的散熱問題是關(guān)鍵。我們針對(duì)目前機(jī)柜進(jìn)行溫度測(cè)試，當(dāng)環(huán)境溫度設(shè)置為30℃時(shí)，運(yùn)行大約10 min即出現(xiàn)了過熱告警，系統(tǒng)宕機(jī)，證明機(jī)柜散熱設(shè)計(jì)不能滿足要求。溫度測(cè)試曲線如圖1所示。

圖1 溫度測(cè)試曲線

我們?cè)跈C(jī)柜內(nèi)部的10個(gè)點(diǎn)安裝了溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)部溫度，通過測(cè)試，有五個(gè)溫度最高點(diǎn)如表1。其位置分布如圖2所示。

表1 溫度最高的五個(gè)位置

圖2 五個(gè)溫度最高點(diǎn)在機(jī)柜中的位置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)柜耐受環(huán)境溫度提高到48℃。針對(duì)設(shè)計(jì)要求和基站機(jī)柜散熱現(xiàn)狀，進(jìn)行原因分析和討論。

2 基站機(jī)柜散熱問題分析

根據(jù)基站機(jī)柜現(xiàn)狀和其內(nèi)部溫度檢測(cè)，初步分析影響散熱因素為散熱路徑、風(fēng)量、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法4個(gè)方面，具體分為①進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口太小；②風(fēng)流向不合理；③供電單元輸出電壓偏高；④8U自帶風(fēng)扇功率小且沒有其他風(fēng)扇；⑤空氣過濾器風(fēng)壓指標(biāo)不匹配，通風(fēng)量不夠；⑥測(cè)溫點(diǎn)選擇不合理；⑦測(cè)試溫控箱精度不高；⑧TRDU模塊本身缺陷。針對(duì)以上方面進(jìn)行逐一分析并確定主要原因。

2.1 進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口太小

通過圖3中現(xiàn)有機(jī)柜通風(fēng)方案的模擬計(jì)算，估算進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口通風(fēng)量只有300 CFM，小于8U要求的最小通風(fēng)量，這是造成散熱不良的主要原因。

圖3 現(xiàn)有機(jī)柜通風(fēng)方案

2.2 風(fēng)流向不合理

機(jī)柜的安裝現(xiàn)場(chǎng)左右寬度固定，沒有安裝通風(fēng)裝置的空間，因此這種左右散熱的方式不能保留。如圖4所示，只能改為前后散熱的方式，也就是風(fēng)從前后門進(jìn)出。從前向后和從后向前沒有本質(zhì)區(qū)別，是造成散熱不良的主要原因。

圖4 機(jī)柜風(fēng)流向圖

2.3 供電單元輸出電壓偏高

基站散熱受輸入電壓浮動(dòng)影響較大［12］，該溫度測(cè)試中，供電電壓范圍為－41.5 V～－57 V，超出這個(gè)范圍有可能使內(nèi)部元件過載并發(fā)熱，甚至燒壞元器件。供電單元已通過校準(zhǔn)且工作正常，測(cè)試過程中測(cè)試工程師對(duì)供電電壓進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，沒有出現(xiàn)過電壓不穩(wěn)的情況，是造成散熱不良的非主要原因。

2.4 8U自帶風(fēng)扇功率小且沒有其他風(fēng)扇

8U是基站機(jī)柜中的主要工作單元，這一個(gè)單元的需求風(fēng)量為＞500 CFM。該單元自帶風(fēng)扇有兩個(gè)，同時(shí)運(yùn)行的最大風(fēng)量為300 CFM，沒有達(dá)到要求。再加上機(jī)柜內(nèi)部還有其他單元產(chǎn)生熱量，因此300 CFM的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。機(jī)柜的通風(fēng)量要考慮所有風(fēng)扇的風(fēng)量，整個(gè)機(jī)柜中只有8U單元自帶風(fēng)扇，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)其他風(fēng)扇，是造成散熱不良的主要原因。

2.5 空氣過濾器風(fēng)壓指標(biāo)不匹配，通風(fēng)量不夠

空氣過濾器指空氣過濾裝置，位于機(jī)柜左側(cè)，用于防塵，是機(jī)柜必不可少的組件，其通風(fēng)量直接影響整個(gè)機(jī)柜的通風(fēng)量。通過測(cè)量風(fēng)壓差值表明，風(fēng)壓差越大，說明空氣流動(dòng)的越不順暢，越不利于熱量散發(fā)，對(duì)空氣過濾器要求風(fēng)壓差不大于225 Pa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果風(fēng)壓差達(dá)到了350 Pa，說明空氣過濾器尺寸與機(jī)柜結(jié)構(gòu)不匹配，是造成散熱不良的主要原因。

2.6 測(cè)溫點(diǎn)選擇不合理

高低溫測(cè)試中選擇了40個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中射頻放大器及電源板是最主要的發(fā)熱源，經(jīng)過檢查，在這幾處都放有至少一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)沒有其他干擾測(cè)溫的發(fā)熱源，高溫報(bào)警也能夠及時(shí)觸動(dòng)，是造成散熱不良的非主要原因。

2.7 測(cè)試溫控箱精度不高

測(cè)試溫控箱一年內(nèi)校準(zhǔn)過，精度達(dá)到1%，為排除溫控箱故障問題，對(duì)測(cè)試溫控箱進(jìn)行重新校準(zhǔn)，溫度精度仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，是造成散熱不良的非主要原因。

2.8 TRDU模塊本身缺陷

為排除設(shè)備本身故障，按如下流程圖確保所測(cè)基站中的TRDU板無(wú)缺陷，是造成散熱不良的非主要原因。

圖5 排除TRDU板故障流程圖

最后，我們確定了影響基站散熱的4個(gè)主要原因：（1）進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口太小；（2）風(fēng)流向不合理；（3）8U單元自帶風(fēng)扇功率小且沒有其他風(fēng)扇；（4）空氣過濾器通風(fēng)量不夠。

3 散熱問題解決方法及措施

針對(duì)確定的4個(gè)主要原因采取了以下具體措施：

3.1 進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口太小

重新設(shè)計(jì)進(jìn)出風(fēng)口，降低散熱路徑阻力，加大進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，在出風(fēng)口增加感溫型活動(dòng)擋風(fēng)板，使機(jī)柜室內(nèi)溫度濕度在一定范圍內(nèi)可控。

3.2 風(fēng)流向不合理

改變通風(fēng)方式是解決風(fēng)流不合理的有效方法，改左右通風(fēng)為前后通風(fēng)，增強(qiáng)基站的散熱效果。

3.3 8U單元自帶風(fēng)扇功率小且沒有其他風(fēng)扇

鑒于8U自帶風(fēng)扇功率小的問題，采取增加8U風(fēng)扇功率的方法，把8U風(fēng)扇換成更大功率的風(fēng)扇。為了提高通風(fēng)量，增加風(fēng)壓，在前門增加兩個(gè)獨(dú)立的風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇通風(fēng)量達(dá)500 CFM，提升散熱效果。

3.4 空氣過濾器通風(fēng)量不夠

針對(duì)這個(gè)問題，重新設(shè)計(jì)空氣過濾器，降低散熱路徑阻力，換尺寸較大的空氣過濾器。

4 改進(jìn)后效果

根據(jù)確定的四個(gè)影響基站機(jī)柜散熱的主要原因，我們修改了設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后機(jī)柜設(shè)計(jì)方案

按照?qǐng)D6的改進(jìn)方案進(jìn)行修改后制作出基站機(jī)柜測(cè)試樣品，再次進(jìn)行熱測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，結(jié)果令人滿意并測(cè)試通過。機(jī)柜樣品通過了標(biāo)準(zhǔn)系列的規(guī)定熱測(cè)試內(nèi)容，沒有出現(xiàn)告警。環(huán)境高溫設(shè)定值為52℃的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了理想預(yù)期。

圖7 改進(jìn)后溫度測(cè)試曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)影響基站機(jī)柜散熱的問題討論，確定了主要原因并進(jìn)行了改進(jìn)，達(dá)到了基站在48℃以下工作環(huán)境中正常運(yùn)行的要求。可以看出，空氣進(jìn)出口大小、風(fēng)流方向、風(fēng)扇設(shè)計(jì)和空氣過濾器是影響機(jī)柜散熱設(shè)計(jì)的重要因素，在工程設(shè)計(jì)中一定要注意這些因素的影響。本文所做的實(shí)驗(yàn)都是針對(duì)在高溫情況下散熱設(shè)計(jì)對(duì)基站的影響，沒有對(duì)在低溫狀態(tài)下散熱設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)基站造成何種影響進(jìn)行探討，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件改進(jìn)的情況下，將做進(jìn)一步的研究。

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