通信基站机柜散热系统设计优化

吕 帅

（青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404）

通信基站设备主要有放大器和和射频电路等电子设备，是移动通信传输重要的组成部分［1］。这些电子设备价格昂贵且对工作环境有严格的要求［2］。据统计，电子设备的主要失效形式是热失效，电子设备的失效有55%是温度超过规定的值引起的［3，4，5］。随着温度的升高，电子设备的失效率成指数增长趋势［6，7，8］，基站内温度受环境和设备自身影响很大.同时，过高的温度也会加快电子设备的老化。控制基站正常运行时的内部温度是基站运行中非常重要的任务。

根据基站运维公司的相关数据统计，通信网络故障很大一部分是由基站的环境因素异常造成［9］。通信基站是一个密闭空间，大量的电子设备需要不间断地长时间工作，使基站内部温度不断升高。温度过高或者过低是影响基站稳定运行的一大因素［10］。因此，热设计是基站设计的一项关键技术，对于基站设备来说，散热指标是衡量设备性能的关键指标之一。

本文以新开发的基站机柜产品为例，探讨通信基站机柜散热系统设计存在的几个问题，确定散热系统的主要问题和非主要问题，针对主要问题提出解决方案，并进行优化设计。试验证明，优化后的效果达到了预期目的，证明了解决方案的可行性。

1 基站机柜现状与目标

基站机柜中有 MT－BBU、MS－TRDU和PDP等单元模块，MT－BBU和MS－TRDU单元模块对环境温度最为敏感［11］。如果环境温度过高，运行温度也会升高，将导致 MT－BBU 和 MS－TRDU单元停止工作。依据新开发的基站机柜产品设计要求，环境温度在－40℃～48℃范围内，设备能够正常运行，因此，解决机柜的散热问题是关键。我们针对目前机柜进行温度测试，当环境温度设置为30℃时，运行大约10 min即出现了过热告警，系统宕机，证明机柜散热设计不能满足要求。温度测试曲线如图1所示。

图1 温度测试曲线

我们在机柜内部的10个点安装了温度传感器来监测机柜内部温度，通过测试，有五个温度最高点如表1。其位置分布如图2所示。

表1 温度最高的五个位置

图2 五个温度最高点在机柜中的位置

根据设计要求，机柜耐受环境温度提高到48℃。针对设计要求和基站机柜散热现状，进行原因分析和讨论。

2 基站机柜散热问题分析

根据基站机柜现状和其内部温度检测，初步分析影响散热因素为散热路径、风量、测试环境、测试方法4个方面，具体分为①进风口和出风口太小；②风流向不合理；③供电单元输出电压偏高；④8U自带风扇功率小且没有其他风扇；⑤空气过滤器风压指标不匹配，通风量不够；⑥测温点选择不合理；⑦测试温控箱精度不高；⑧TRDU模块本身缺陷。针对以上方面进行逐一分析并确定主要原因。

2.1 进风口和出风口太小

通过图3中现有机柜通风方案的模拟计算，估算进风口和出风口通风量只有300 CFM，小于8U要求的最小通风量，这是造成散热不良的主要原因。

图3 现有机柜通风方案

2.2 风流向不合理

机柜的安装现场左右宽度固定，没有安装通风装置的空间，因此这种左右散热的方式不能保留。如图4所示，只能改为前后散热的方式，也就是风从前后门进出。从前向后和从后向前没有本质区别，是造成散热不良的主要原因。

图4 机柜风流向图

2.3 供电单元输出电压偏高

基站散热受输入电压浮动影响较大［12］，该温度测试中，供电电压范围为－41.5 V～－57 V，超出这个范围有可能使内部元件过载并发热，甚至烧坏元器件。供电单元已通过校准且工作正常，测试过程中测试工程师对供电电压进行持续监控，没有出现过电压不稳的情况，是造成散热不良的非主要原因。

2.4 8U自带风扇功率小且没有其他风扇

8U是基站机柜中的主要工作单元，这一个单元的需求风量为＞500 CFM。该单元自带风扇有两个，同时运行的最大风量为300 CFM，没有达到要求。再加上机柜内部还有其他单元产生热量，因此300 CFM的风量远远不够。机柜的通风量要考虑所有风扇的风量，整个机柜中只有8U单元自带风扇，在测试现场未发现其他风扇，是造成散热不良的主要原因。

2.5 空气过滤器风压指标不匹配，通风量不够

空气过滤器指空气过滤装置，位于机柜左侧，用于防尘，是机柜必不可少的组件，其通风量直接影响整个机柜的通风量。通过测量风压差值表明，风压差越大，说明空气流动的越不顺畅，越不利于热量散发，对空气过滤器要求风压差不大于225 Pa，现场实测的结果风压差达到了350 Pa，说明空气过滤器尺寸与机柜结构不匹配，是造成散热不良的主要原因。

2.6 测温点选择不合理

高低温测试中选择了40个测温点，其中射频放大器及电源板是最主要的发热源，经过检查，在这几处都放有至少一个测温点。现场没有其他干扰测温的发热源，高温报警也能够及时触动，是造成散热不良的非主要原因。

2.7 测试温控箱精度不高

测试温控箱一年内校准过，精度达到1%，为排除温控箱故障问题，对测试温控箱进行重新校准，温度精度仍在标准范围内，是造成散热不良的非主要原因。

2.8 TRDU模块本身缺陷

为排除设备本身故障，按如下流程图确保所测基站中的TRDU板无缺陷，是造成散热不良的非主要原因。

图5 排除TRDU板故障流程图

最后，我们确定了影响基站散热的4个主要原因：（1）进风口和出风口太小；（2）风流向不合理；（3）8U单元自带风扇功率小且没有其他风扇；（4）空气过滤器通风量不够。

3 散热问题解决方法及措施

针对确定的4个主要原因采取了以下具体措施：

3.1 进风口和出风口太小

重新设计进出风口，降低散热路径阻力，加大进风口和出风口，在出风口增加感温型活动挡风板，使机柜室内温度湿度在一定范围内可控。

3.2 风流向不合理

改变通风方式是解决风流不合理的有效方法，改左右通风为前后通风，增强基站的散热效果。

3.3 8U单元自带风扇功率小且没有其他风扇

鉴于8U自带风扇功率小的问题，采取增加8U风扇功率的方法，把8U风扇换成更大功率的风扇。为了提高通风量，增加风压，在前门增加两个独立的风扇，每个风扇通风量达500 CFM，提升散热效果。

3.4 空气过滤器通风量不够

针对这个问题，重新设计空气过滤器，降低散热路径阻力，换尺寸较大的空气过滤器。

4 改进后效果

根据确定的四个影响基站机柜散热的主要原因，我们修改了设计方案如图6所示。

图6 改进后机柜设计方案

按照图6的改进方案进行修改后制作出基站机柜测试样品，再次进行热测试，结果如图7所示，结果令人满意并测试通过。机柜样品通过了标准系列的规定热测试内容，没有出现告警。环境高温设定值为52℃的情况下，系统运行正常，达到了理想预期。

图7 改进后温度测试曲线

5 结束语

本文通过对影响基站机柜散热的问题讨论，确定了主要原因并进行了改进，达到了基站在48℃以下工作环境中正常运行的要求。可以看出，空气进出口大小、风流方向、风扇设计和空气过滤器是影响机柜散热设计的重要因素，在工程设计中一定要注意这些因素的影响。本文所做的实验都是针对在高温情况下散热设计对基站的影响，没有对在低温状态下散热设计会对基站造成何种影响进行探讨，在后续实验条件改进的情况下，将做进一步的研究。

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