通信設(shè)備熱設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計措施研究

陶文

摘要：隨著我國通信技術(shù)的不斷發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高速度、大容量等已成為我國當代通信技術(shù)的發(fā)展目標。組成通信設(shè)備的主要元件就是高密度的表面貼裝元件，與多層電路板，通信設(shè)備在運行過程中熱流密度增加，散發(fā)出大量的熱量，根據(jù)相關(guān)調(diào)查得知，我國55%的通信設(shè)備因高溫導致?lián)p壞，溫度高低幾乎與通信設(shè)備的使用壽命成正比。

關(guān)鍵詞：通信設(shè)備；熱設(shè)計；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；分析

在我國通信技術(shù)不斷進步的前提下，現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展目標正在向全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高速、大容量等方面轉(zhuǎn)變。高密度的表面貼裝元件，和多層電路板是組成的通信設(shè)備的主要設(shè)備。通信設(shè)備在運行過程中會出現(xiàn)熱流密度增加，大量的熱量被散發(fā)出來的現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，55%的中國的通信設(shè)備損壞是由于高溫造成的，所以說，高溫的高低幾乎和通信設(shè)備的使用壽命是成正比的。因此，為了提高通信設(shè)備的利用率，必須對通信設(shè)備的熱設(shè)計進行充分的研究，以提高通信設(shè)備的質(zhì)量。

一、熱設(shè)計的基本方法

我們都知道，熱設(shè)計有高溫部件的選擇和熱控制兩種方法。高溫部件的選擇就是指采用耐高溫元件，保證元件和材料的工作溫度。這種方法的使用必然會增加成本，甚至還有可能是找不到合適的耐高溫元件，所以，在通信設(shè)備熱設(shè)計項目中基本不會使用這種方法。熱控制方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是使用熱保護和合理選擇的一些組件的熱流道。可以對熱設(shè)備的保護措施，如安裝在低溫區(qū)或屏蔽等，合理選擇熱源組件的熱流道，合理的安裝，實現(xiàn)布局優(yōu)化，減少熱量和設(shè)備的數(shù)量。在通信設(shè)備熱設(shè)計中，一般會綜合運用幾種方法來實現(xiàn)最佳的熱設(shè)計效果。

二、通信設(shè)備熱設(shè)計要求和準則

通信設(shè)備熱設(shè)計準則是把設(shè)備運行產(chǎn)生的熱量盡量采用上述熱傳遞方式進行最大限度的降低，全面提升系統(tǒng)散熱效果，確保設(shè)備及系統(tǒng)在安全可靠的溫度范圍內(nèi)高效運行，熱設(shè)計過程一般要求準則和要求為：熱設(shè)計符合國家或者行業(yè)技術(shù)標準和規(guī)范準則；熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以滿足元器件最高運行溫度、熱阻、功耗等的功能指標；滿足強制冷卻裝置的運行限制狀況和熱環(huán)境要求等。

通信設(shè)備熱設(shè)計主要包括系統(tǒng)級（SYSTEMS）熱設(shè)計，主要包括通信機柜、通信機箱和方艙等設(shè)計；對于封裝級（PACKAGES）熱設(shè)計主要包括通信系統(tǒng)模塊（主要有電源、接口、數(shù)據(jù)處理單元、終端接收、信道傳輸、功率放大、低頻、射頻，光纖物理連接等模塊）、散熱裝置（冷卻風扇、散熱器、水泵等）、PCB電路集成板等；組件級（COMPONENTS）熱設(shè)計主要針對功率器件、硅元器件等元器件。SYSTEMS熱設(shè)計針對設(shè)備溫度環(huán)境影響進行研究和設(shè)計，因為環(huán)境溫度是封裝級熱分析重要邊界條件，設(shè)計過程應(yīng)研究如何采取有效措施控制設(shè)備運行的環(huán)境溫度，使設(shè)備處于合理溫度環(huán)境范圍內(nèi)運行。對于封裝級及電路板級的熱設(shè)計，應(yīng)充分分析電路布局、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、電路板及元器件的耐溫特性、材料熱應(yīng)力、絕緣等級、熱強度（膨脹）、導熱性能、介質(zhì)系數(shù)等指標，這部分熱設(shè)主要研究器件過熱、溫度交變、熱應(yīng)力變化引起的失效等問題。綜上分析，通信設(shè)備熱設(shè)計一般遵循的步驟應(yīng)為：設(shè)備加熱、冷卻要求分析一環(huán)境溫度（邊界條件）計算確立一模型設(shè)計一材料、熱交換方式應(yīng)用（多種組合）確定一計算機輔助程序熱設(shè)計一仿真測試與分析一文件輸出、溫度分布圖驗證等。目前，主要利用ANSYS. CINDA，PHOENICS/Hobox等計算機輔助熱設(shè)計軟件進行設(shè)計和仿真測試、驗證。通過計算流體動力學進行熱分析，利用邊界元法、限元法、有限差分法和容積法建立數(shù)學模型，簡化熱設(shè)計模型，并求解具體的方程，仿真、測試、分析程序。

三、通信設(shè)備熱設(shè)計方案

該方案基本原理是充分利用室外空氣對流，采用熱交換方式強迫空氣對流，降低通信機房溫度。通過計算機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)熱交換器和機柜空調(diào)等冷卻設(shè)備的聯(lián)動，當室外溫度高于機體內(nèi)溫度時，新風滿足不了排出全部冷負荷要求，此時，機柜空調(diào)設(shè)備通過計算機程序啟動運行，降低機柜內(nèi)溫度，滿足通信設(shè)備運行的溫度環(huán)境要求。當機柜內(nèi)的溫度上升到25'C時，并且柜外溫度低于柜內(nèi)溫度時，主控板輸出開關(guān)量信號給輔控板，熱交換器開始工作，按照預(yù)先設(shè)置的溫度轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)熱交換器風機轉(zhuǎn)速；如果熱交換器風機轉(zhuǎn)速己全速運轉(zhuǎn)，且柜內(nèi)溫度仍持續(xù)上升，當柜內(nèi)溫度達到空調(diào)器啟動點溫度時，接通空調(diào)器，開始制冷；此時若仍滿足柜外溫度低于柜內(nèi)溫度，熱交換器繼續(xù)工作；當柜外溫度高于柜內(nèi)溫度時，主控板發(fā)出信號，熱交換器停止工作；當柜外溫度低于柜內(nèi)溫度，且持續(xù)180S的時間后，熱交換器再次啟動。當柜內(nèi)溫度未達到空調(diào)啟動溫度點時，空調(diào)內(nèi)風機亦停止運轉(zhuǎn)。當熱交換器出現(xiàn)故障，或-48V電源出現(xiàn)問題時，柜內(nèi)溫度上升到空調(diào)器啟動溫度點時，空調(diào)將自動投入運行。當空調(diào)器斷電或出現(xiàn)故障，空調(diào)無法給熱交換器工作信號，造成柜內(nèi)溫度升高到40℃時，熱交換器自動進入應(yīng)急運行狀態(tài)（采用應(yīng)急電源供電），并根據(jù)柜內(nèi)溫度，按預(yù)定的溫度轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速。當主控板測量到柜內(nèi)溫度低于5℃時，且持續(xù)300S的時間，空調(diào)內(nèi)風機啟動，接通電加熱，9℃時電加熱停止工作。

四、結(jié)論

通信設(shè)備熱結(jié)構(gòu)設(shè)計工作相對繁瑣，要充分考慮地域溫度環(huán)境，還應(yīng)滿足具體工程設(shè)計要求，因此在通信設(shè)備熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分掌握微電子結(jié)構(gòu)還應(yīng)結(jié)合計算機輔助熱設(shè)計程序的應(yīng)用，充分采用熱交換器等新型設(shè)備的性能，滿足熱交換設(shè)計的要求和準則。本文設(shè)計的通信設(shè)備控溫方案，節(jié)電效果可達到40%左右，有效調(diào)節(jié)設(shè)備運行溫度，能夠滿足系統(tǒng)運行要求，具有極高的可靠性和安全性，可以延長設(shè)備使用壽命，減低設(shè)備運行故障率，而且通過計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠程控制和在線環(huán)境溫度監(jiān)測，大大較低了運維費用。

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