潘美娜 王文 劉金琰

【摘 要】針對SMC插箱在現(xiàn)場出現(xiàn)的由于風(fēng)量不足引起的散熱差、不能通過寬頻噪聲測試、溫度過高告警等問題，采用調(diào)整風(fēng)扇盤布局結(jié)構(gòu)的方法，通過熱測試，得出實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合熱仿真分析結(jié)果確定最佳解決方案，為今后的產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提供了寶貴的經(jīng)驗。

【關(guān)鍵字】SMC插箱 熱測試 散熱 風(fēng)扇盤

【中圖分類號】TP334.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0198-02

1引言

隨著技術(shù)的突破和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新，中國通信技術(shù)層次和水平躍居世界前列，信息通信業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)增長的支柱和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。面對激烈的競爭市場，各大通信運營商對通信設(shè)備提出了更高的要求。對此，通信設(shè)備企業(yè)必須不斷對產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，增進(jìn)產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品競爭力?，F(xiàn)有通信設(shè)備功能和復(fù)雜性日益增長，使得設(shè)備內(nèi)部整體功耗及熱量不斷增加，散熱差導(dǎo)致設(shè)備死機(jī)現(xiàn)象頻繁發(fā)生，影響整個系統(tǒng)的正常運行。

高溫對大多數(shù)元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，它導(dǎo)致元器件性能改變甚至失效，從而引起整個電子設(shè)備的故障。國外研究電子產(chǎn)品的過熱問題始于60年代，發(fā)展了電子設(shè)備的熱分析技術(shù)、熱設(shè)計技術(shù)以及熱測試技術(shù)。熱設(shè)計首先根據(jù)設(shè)備的可靠性指標(biāo)及設(shè)備所處的環(huán)境條件確定熱設(shè)計目標(biāo)，熱設(shè)計目標(biāo)一般為設(shè)備內(nèi)部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設(shè)計的目標(biāo)及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、體積、重量等要求進(jìn)行熱設(shè)計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印刷電路板散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計。電路板上元器件的優(yōu)化布局是目前研究較多的一種熱設(shè)計方法，它是降低電子設(shè)備溫度最經(jīng)濟(jì)的方法。美國奧克蘭大學(xué)B.Cahlon等人采用組合優(yōu)化理論一模擬退火算法，搜尋電路板元件的最優(yōu)布局，使得系統(tǒng)溫度的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)。

熱仿真最常用的熱設(shè)計軟件是FLOTHERM，它提供“設(shè)計級分析”，不追求學(xué)術(shù)方面的高深，只著眼于電子散熱行業(yè)的實際工程應(yīng)用問題，選擇最恰當(dāng)?shù)姆椒?，用快捷簡便的方法加以解決。FLOTHERM軟件提供了操作簡易但功能強(qiáng)大的熱流仿真功能，使得工程師在短期內(nèi)能快捷方便地得到仿真結(jié)果，并將大量的時間投入到設(shè)計優(yōu)化和產(chǎn)品改進(jìn)上去。

2 產(chǎn)品背景介紹

2.1 SMC插箱

SMC是一類緊湊型光多業(yè)務(wù)節(jié)點，專為城域接入和城域匯聚的應(yīng)用而設(shè)計，公司多業(yè)務(wù)節(jié)點產(chǎn)品系列之一。它通過緊湊的設(shè)計提供了最強(qiáng)大的SDH功能和容量；通過集成的多業(yè)務(wù)卡提供了最豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口；通過最先進(jìn)的二層交換功能提供了最靈活的業(yè)務(wù)支持能力。此款插箱可以插滿20塊控制電路板，承擔(dān)主要業(yè)務(wù)功能的是兩塊SYNTH16電路板，它管理在會聚板和支路板傳輸業(yè)務(wù)中的交叉連接功能，同時也管理整個SMC系統(tǒng)。由于功耗比較大，散熱問題較為突出。

2.2 SMC插箱風(fēng)扇盤摸底試驗

摸底試驗是為了驗證風(fēng)扇盤在6個風(fēng)扇同時工作和前面2個風(fēng)扇失效的情況下，對SYNTH16業(yè)務(wù)板溫度的影響。如果影響很小，就可以減少2個風(fēng)扇，減小了噪聲同時也降低了成本。摸底試驗是將電子設(shè)備置于模擬的熱環(huán)境中，將溫度探頭置于功耗高的關(guān)注點，測量其溫度或溫度分布。SMC插箱及風(fēng)扇盤如圖所示，共有6個風(fēng)扇，分兩列排列，我們需要測試前面兩個風(fēng)扇失效與否對板卡溫度的影響，在實際運行工作中，SMC 插箱經(jīng)常出現(xiàn)以下故障：

①風(fēng)量不足

②不能通過寬頻噪聲測試

③溫度過高告警

④不能從CT上讀寫RI信息圖2 摸底實驗槽位風(fēng)速圖

2.4 實驗結(jié)果分析

針對SYNTH16板，根據(jù)生產(chǎn)部門檢測通過的標(biāo)準(zhǔn)是：在高溫50℃的情況下，連續(xù)工作24h無誤碼產(chǎn)生；實際測試的情況是：右邊槽位的SYNTH16在40℃的情況下，10分鐘之內(nèi)產(chǎn)生誤碼；38℃的情況下，16小時之內(nèi)產(chǎn)生誤碼；35℃的情況下，1小時之內(nèi)沒有產(chǎn)生誤碼；可以確定SYNTH16的確存在比較明顯的散熱問題，需要設(shè)法降低問題元器件至少15℃才能達(dá)到出廠要求，如果考慮長期工作可靠性的10℃降額，需要降低25℃。

3 SMC插箱新風(fēng)扇盤設(shè)計

通過分析板卡在插箱中的布局，提出了以下四種風(fēng)扇布局的方案，并需要通過熱仿真和熱測試相結(jié)合來檢驗?zāi)囊环N方案更合理，有效地改善散熱問題。兩款實驗風(fēng)扇參數(shù)規(guī)格分別為120mm*120mm*25，4mm和80mm*80mm*25，4mm。

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)摸底實驗結(jié)果，設(shè)計出4種風(fēng)扇布局方案表3 風(fēng)扇布局結(jié)構(gòu)說明

3.2 方案分析

對四種風(fēng)扇布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗，針對主業(yè)務(wù)板SYNTH16槽位的風(fēng)量，方案一比原布局有明顯提高，方案二中SYNTH16槽位正對著12cm和8cm 風(fēng)扇的邊緣，同時配合導(dǎo)流板效果更佳。方案三比方案一有所提高，但是由于SMC插箱通風(fēng)區(qū)域大小的限制和風(fēng)扇框的橫梁的阻擋作用，這種提高的效果不是很明顯。方案四比方案三有所提高，因為SYNTH16槽位正對著12cm和8cm風(fēng)扇的邊緣，同時配合導(dǎo)流板效果更佳。

3.3 結(jié)論

SMC插箱風(fēng)扇盤的設(shè)計直接由SYNTH16板本身的散熱能力決定，SYNTH16板散熱能力一般，可能需要增大風(fēng)扇的厚度和數(shù)量，這既不經(jīng)濟(jì)，并且可能產(chǎn)生噪聲方面的問題。但考慮到產(chǎn)品的通用性，此風(fēng)扇盤有可能以后用到其他業(yè)務(wù)功能的插箱里，增加風(fēng)扇的數(shù)量應(yīng)該作為首選。而導(dǎo)流板是一種經(jīng)濟(jì)方便的風(fēng)量調(diào)整方法，但由于結(jié)構(gòu)空間的局限，暫不考慮。

4 SMC風(fēng)扇盤熱仿真和熱測試

4.1 SMC插箱風(fēng)扇盤熱仿真

先通過熱仿真軟件FLOTHERM對四種風(fēng)扇盤方案的布局進(jìn)行仿真計算，模擬出不同布局情況下主控板的溫度場分布，并測出四種方案各槽位的風(fēng)速。通過實驗測得第四種方案的各槽位風(fēng)速最大，尤其兩塊主業(yè)務(wù)板風(fēng)速明顯高于其他三種方案。

為進(jìn)一步確定最優(yōu)的風(fēng)扇布局方案，針對方案一，二，三，四進(jìn)行熱測試，將多點式溫度儀探頭置于功耗大的器件處，將SMC插箱置于室溫條件下進(jìn)行測試，根據(jù)通信設(shè)備可靠性標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)扇盤正常工作16個小時之后開始記錄數(shù)據(jù)。

4.3 結(jié)果分析

方案三比方案一最多只降低1.7度，成本增加80RMB左右，因此方案三不考慮；方案四比方案二最多降低2.8度。方案二比方案一使SYNTH16的溫度更低些（1度左右），但是其他板子溫度略高（1度左右），所以兩種方案效果上沒有明顯的區(qū)別。通過以上對四種風(fēng)扇布局的理論和實驗的分析，同時考慮對風(fēng)扇盤的加工工藝要求，降低成本的預(yù)期，總結(jié)出第四種為比較合理的風(fēng)扇布局方案。

5 結(jié)束語

本文通過熱仿真和熱測試相結(jié)合的手段，針對設(shè)備因散熱差，溫度過高引起的死機(jī)故障，提出了改善風(fēng)扇盤布局結(jié)構(gòu)的方案，有效的解決了SMC插箱系統(tǒng)的散熱問題。由于風(fēng)扇盤是通信產(chǎn)品通用規(guī)格，所以可以應(yīng)用到相近插箱系統(tǒng)。大量的實驗數(shù)據(jù)全面而詳細(xì)的分析了故障發(fā)生的原因。發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題并予以修改。通過一系列方案的調(diào)整、篩選，同時配合優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能使產(chǎn)品的可靠性提高，滿足用戶的需求，并降低成本，為今后的產(chǎn)品各級別散熱設(shè)計提供了很好的參考。

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