通信设备热设计的机械结构设计措施研究

陶文

摘要：随着我国通信技术的不断发展，全光网络技术、高速度、大容量等已成为我国当代通信技术的发展目标。组成通信设备的主要元件就是高密度的表面贴装元件，与多层电路板，通信设备在运行过程中热流密度增加，散发出大量的热量，根据相关调查得知，我国55%的通信设备因高温导致损坏，温度高低几乎与通信设备的使用寿命成正比。

关键词：通信设备；热设计；机械结构设计；分析

在我国通信技术不断进步的前提下，现代通信技术的发展目标正在向全光网络技术、高速、大容量等方面转变。高密度的表面贴装元件，和多层电路板是组成的通信设备的主要设备。通信设备在运行过程中会出现热流密度增加，大量的热量被散发出来的现象。根据相关调查，55%的中国的通信设备损坏是由于高温造成的，所以说，高温的高低几乎和通信设备的使用寿命是成正比的。因此，为了提高通信设备的利用率，必须对通信设备的热设计进行充分的研究，以提高通信设备的质量。

一、热设计的基本方法

我们都知道，热设计有高温部件的选择和热控制两种方法。高温部件的选择就是指采用耐高温元件，保证元件和材料的工作温度。这种方法的使用必然会增加成本，甚至还有可能是找不到合适的耐高温元件，所以，在通信设备热设计项目中基本不会使用这种方法。热控制方法的关键环节就是使用热保护和合理选择的一些组件的热流道。可以对热设备的保护措施，如安装在低温区或屏蔽等，合理选择热源组件的热流道，合理的安装，实现布局优化，减少热量和设备的数量。在通信设备热设计中，一般会综合运用几种方法来实现最佳的热设计效果。

二、通信设备热设计要求和准则

通信设备热设计准则是把设备运行产生的热量尽量采用上述热传递方式进行最大限度的降低，全面提升系统散热效果，确保设备及系统在安全可靠的温度范围内高效运行，热设计过程一般要求准则和要求为：热设计符合国家或者行业技术标准和规范准则；热系统结构可以满足元器件最高运行温度、热阻、功耗等的功能指标；满足强制冷却装置的运行限制状况和热环境要求等。

通信设备热设计主要包括系统级（SYSTEMS）热设计，主要包括通信机柜、通信机箱和方舱等设计；对于封装级（PACKAGES）热设计主要包括通信系统模块（主要有电源、接口、数据处理单元、终端接收、信道传输、功率放大、低频、射频，光纤物理连接等模块）、散热装置（冷却风扇、散热器、水泵等）、PCB电路集成板等；组件级（COMPONENTS）热设计主要针对功率器件、硅元器件等元器件。SYSTEMS热设计针对设备温度环境影响进行研究和设计，因为环境温度是封装级热分析重要边界条件，设计过程应研究如何采取有效措施控制设备运行的环境温度，使设备处于合理温度环境范围内运行。对于封装级及电路板级的热设计，应充分分析电路布局、结构构造、电路板及元器件的耐温特性、材料热应力、绝缘等级、热强度（膨胀）、导热性能、介质系数等指标，这部分热设主要研究器件过热、温度交变、热应力变化引起的失效等问题。综上分析，通信设备热设计一般遵循的步骤应为：设备加热、冷却要求分析一环境温度（边界条件）计算确立一模型设计一材料、热交换方式应用（多种组合）确定一计算机辅助程序热设计一仿真测试与分析一文件输出、温度分布图验证等。目前，主要利用ANSYS. CINDA，PHOENICS/Hobox等计算机辅助热设计软件进行设计和仿真测试、验证。通过计算流体动力学进行热分析，利用边界元法、限元法、有限差分法和容积法建立数学模型，简化热设计模型，并求解具体的方程，仿真、测试、分析程序。

三、通信设备热设计方案

该方案基本原理是充分利用室外空气对流，采用热交换方式强迫空气对流，降低通信机房温度。通过计算机控制系统协调热交换器和机柜空调等冷却设备的联动，当室外温度高于机体内温度时，新风满足不了排出全部冷负荷要求，此时，机柜空调设备通过计算机程序启动运行，降低机柜内温度，满足通信设备运行的温度环境要求。当机柜内的温度上升到25'C时，并且柜外温度低于柜内温度时，主控板输出开关量信号给辅控板，热交换器开始工作，按照预先设置的温度转速比例调节热交换器风机转速；如果热交换器风机转速己全速运转，且柜内温度仍持续上升，当柜内温度达到空调器启动点温度时，接通空调器，開始制冷；此时若仍满足柜外温度低于柜内温度，热交换器继续工作；当柜外温度高于柜内温度时，主控板发出信号，热交换器停止工作；当柜外温度低于柜内温度，且持续180S的时间后，热交换器再次启动。当柜内温度未达到空调启动温度点时，空调内风机亦停止运转。当热交换器出现故障，或-48V电源出现问题时，柜内温度上升到空调器启动温度点时，空调将自动投入运行。当空调器断电或出现故障，空调无法给热交换器工作信号，造成柜内温度升高到40℃时，热交换器自动进入应急运行状态（采用应急电源供电），并根据柜内温度，按预定的温度转速比例调节风机转速。当主控板测量到柜内温度低于5℃时，且持续300S的时间，空调内风机启动，接通电加热，9℃时电加热停止工作。

四、结论

通信设备热结构设计工作相对繁琐，要充分考虑地域温度环境，还应满足具体工程设计要求，因此在通信设备热结构设计中，应充分掌握微电子结构还应结合计算机辅助热设计程序的应用，充分采用热交换器等新型设备的性能，满足热交换设计的要求和准则。本文设计的通信设备控温方案，节电效果可达到40%左右，有效调节设备运行温度，能够满足系统运行要求，具有极高的可靠性和安全性，可以延长设备使用寿命，减低设备运行故障率，而且通过计算机及网络技术实现远程控制和在线环境温度监测，大大较低了运维费用。

参考文献：

[1]林良成，陈澄广.通信设备热设计的机械结构设计措施研究[J].电脑迷，2016（04）：59-60.

[2]陈炳棒.浅谈通信设备热设计的机械结构设计措施[J].中国新通信，2015，17（14）：24-25.

[3]卫朝霞，徐艳.通信设备热插拔硬件方案设计[J].电子测试，2013（07）：153-154.

[4]卫朝霞，周新志，艾龙，胡敬鹏.一种数据通信设备热插拔方案的设计[J].测控技术，2005（11）：73-75.

[5]生建友，曹昌德.军用通信设备的热加固技术[J].通信技术与发展，1998（03）：43-47.