熱設計在SMC插箱風扇盤結構設計中的應用

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)整風扇盤布局結構的方法，通過熱測試，得出實驗數(shù)據(jù)，并結合熱仿真分析結果確定最佳解決方案，為今后的產(chǎn)品機械結構設計工作提供了寶貴的經(jīng)驗。

【關鍵字】SMC插箱 熱測試 散熱 風扇盤

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

1引言

隨著技術的突破和業(yè)務的創(chuàng)新，中國通信技術層次和水平躍居世界前列，信息通信業(yè)已成為國民經(jīng)濟增長的支柱和先導產(chǎn)業(yè)。面對激烈的競爭市場，各大通信運營商對通信設備提出了更高的要求。對此，通信設備企業(yè)必須不斷對產(chǎn)品優(yōu)化設計，增進產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品競爭力。現(xiàn)有通信設備功能和復雜性日益增長，使得設備內(nèi)部整體功耗及熱量不斷增加，散熱差導致設備死機現(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)生嚴重影響，它導致元器件性能改變甚至失效，從而引起整個電子設備的故障。國外研究電子產(chǎn)品的過熱問題始于60年代，發(fā)展了電子設備的熱分析技術、熱設計技術以及熱測試技術。熱設計首先根據(jù)設備的可靠性指標及設備所處的環(huán)境條件確定熱設計目標，熱設計目標一般為設備內(nèi)部元器件允許的最高溫度，根據(jù)熱設計的目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印刷電路板散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。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計方法，它是降低電子設備溫度最經(jīng)濟的方法。美國奧克蘭大學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)溫度的目標函數(shù)最優(yōu)。

熱仿真最常用的熱設計軟件是FLOTHERM，它提供“設計級分析”，不追求學術方面的高深，只著眼于電子散熱行業(yè)的實際工程應用問題，選擇最恰當?shù)姆椒ǎ每旖莺啽愕姆椒右越鉀Q。FLOTHERM軟件提供了操作簡易但功能強大的熱流仿真功能，使得工程師在短期內(nèi)能快捷方便地得到仿真結果，并將大量的時間投入到設計優(yōu)化和產(chǎn)品改進上去。

2 產(chǎn)品背景介紹

2.1 SMC插箱

SMC是一類緊湊型光多業(yè)務節(jié)點，專為城域接入和城域匯聚的應用而設計，公司多業(yè)務節(jié)點產(chǎn)品系列之一。它通過緊湊的設計提供了最強大的SDH功能和容量；通過集成的多業(yè)務卡提供了最豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務接口；通過最先進的二層交換功能提供了最靈活的業(yè)務支持能力。此款插箱可以插滿20塊控制電路板，承擔主要業(yè)務功能的是兩塊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插箱風扇盤摸底試驗

摸底試驗是為了驗證風扇盤在6個風扇同時工作和前面2個風扇失效的情況下，對SYNTH16業(yè)務板溫度的影響。如果影響很小，就可以減少2個風扇，減小了噪聲同時也降低了成本。摸底試驗是將電子設備置于模擬的熱環(huán)境中，將溫度探頭置于功耗高的關注點，測量其溫度或溫度分布。SMC插箱及風扇盤如圖所示，共有6個風扇，分兩列排列，我們需要測試前面兩個風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 摸底實驗槽位風速圖

2.4 實驗結果分析

針對SYNTH16板，根據(jù)生產(chǎn)部門檢測通過的標準是：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，需要設法降低問題元器件至少15℃才能達到出廠要求，如果考慮長期工作可靠性的10℃降額，需要降低25℃。

3 SMC插箱新風扇盤設計

通過分析板卡在插箱中的布局，提出了以下四種風扇布局的方案，并需要通過熱仿真和熱測試相結合來檢驗哪一種方案更合理，有效地改善散熱問題。兩款實驗風扇參數(shù)規(guī)格分別為120mm*120mm*25，4mm和80mm*80mm*25，4mm。

3.1 方案設計

根據(jù)摸底實驗結果，設計出4種風扇布局方案表3 風扇布局結構說明

3.2 方案分析

對四種風扇布局結構進行實驗，針對主業(yè)務板SYNTH16槽位的風量，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 風扇的邊緣，同時配合導流板效果更佳。方案三比方案一有所提高，但是由于SMC插箱通風區(qū)域大小的限制和風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風扇的邊緣，同時配合導流板效果更佳。

3.3 結論

SMC插箱風扇盤的設計直接由SYNTH16板本身的散熱能力決定，SYNTH16板散熱能力一般，可能需要增大風扇的厚度和數(shù)量，這既不經(jīng)濟，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，此風扇盤有可能以后用到其他業(yè)務功能的插箱里，增加風扇的數(shù)量應該作為首選。而導流板是一種經(jīng)濟方便的風量調(diào)整方法，但由于結構空間的局限，暫不考慮。

4 SMC風扇盤熱仿真和熱測試

4.1 SMC插箱風扇盤熱仿真

先通過熱仿真軟件FLOTHERM對四種風扇盤方案的布局進行仿真計算，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速。通過實驗測得第四種方案的各槽位風速最大，尤其兩塊主業(yè)務板風速明顯高于其他三種方案。

為進一步確定最優(yōu)的風扇布局方案，針對方案一，二，三，四進行熱測試，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行測試，根據(jù)通信設備可靠性標準，風扇盤正常工作16個小時之后開始記錄數(shù)據(jù)。

4.3 結果分析

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。通過以上對四種風扇布局的理論和實驗的分析，同時考慮對風扇盤的加工工藝要求，降低成本的預期，總結出第四種為比較合理的風扇布局方案。

5 結束語

本文通過熱仿真和熱測試相結合的手段，針對設備因散熱差，溫度過高引起的死機故障，提出了改善風扇盤布局結構的方案，有效的解決了SMC插箱系統(tǒng)的散熱問題。由于風扇盤是通信產(chǎn)品通用規(guī)格，所以可以應用到相近插箱系統(tǒng)。大量的實驗數(shù)據(jù)全面而詳細的分析了故障發(fā)生的原因。發(fā)現(xiàn)設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)化結構設計，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)品各級別散熱設計提供了很好的參考。

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