基站設(shè)備斷電節(jié)能凝露現(xiàn)象的研究

付吉祥，張瑞艷，張敏，陶琳，鄧偉

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

一直以來(lái)，通信設(shè)備的電費(fèi)支出都是運(yùn)營(yíng)商成本重要的一部分，如何節(jié)能省電降成本自然成為運(yùn)營(yíng)商的重要課題[1]。隨著5G 基站的快速建設(shè)，其功耗較4G 設(shè)備大幅提升的缺點(diǎn)日益嚴(yán)峻，特別是在用戶較少的初期階段，更是一個(gè)顯著痛點(diǎn)。

當(dāng)前，對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行節(jié)能的方法主要是一步步關(guān)斷設(shè)備中的子器件、子功能，甚至完全下電。然而直接斷電固然可以大幅降低設(shè)備功耗，達(dá)到終極形態(tài)的節(jié)能效果，但由此可能帶來(lái)的凝露問(wèn)題卻不容忽視。

凝露是一種自然界中廣泛存在的自然現(xiàn)象，空氣中的水汽會(huì)凝結(jié)在溫度低于露點(diǎn)溫度的物體表面，形成微觀水膜甚至宏觀上的水滴。凝露所造成的危害被廣泛發(fā)現(xiàn)于各類戶外設(shè)備中，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界均對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。羅宣國(guó)等[2-5]分析了電動(dòng)汽車和小型戶外電子設(shè)備凝露產(chǎn)生的原理和危害；韋生文等[6-8]使用人工肺研究了雷達(dá)及電子設(shè)備的呼吸凝露，發(fā)現(xiàn)密封腔體的呼吸作用會(huì)使設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生凝露，并解釋了凝露對(duì)電子產(chǎn)品的危害；Ou-Qing 等[9]分析了電信設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部產(chǎn)生凝露的一種典型場(chǎng)景以及凝露對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害；Zhang 等[10-12]分析了建筑內(nèi)部的濕度變化規(guī)律以及高濕度空氣甚至建筑表面凝露對(duì)建筑物帶來(lái)的危害。

本文基于基站通信設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)其凝露場(chǎng)景進(jìn)行了分析，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了等效凝露實(shí)驗(yàn)，從實(shí)踐角度探究了基站設(shè)備完全下電的凝露風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步分析基站設(shè)備部分關(guān)斷時(shí)的節(jié)能邊界，給出了極限的節(jié)能功耗。

2 凝露的基本概念

凝露是一種普遍的自然現(xiàn)象，如清晨草葉上的露珠、冬天玻璃上形成的水霧等。凝露是溫度變化導(dǎo)致的水分析出現(xiàn)象，當(dāng)物體表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)在物體表面形成凝露。凝露的水來(lái)自于空氣，人們所接觸的空氣中都是含有水蒸氣的，空氣在不同溫度下能含有的最大水汽質(zhì)量E（g/m3）可以通過(guò)飽和濕度表查找，見(jiàn)表1。

表1 空氣在不同溫度下的飽和濕度

從表1 可以看到，溫度越高，單位體積空氣中最大所能蘊(yùn)含的水量越大，如25℃時(shí)，單位體積（m3）空氣可含有23 g 水汽。當(dāng)水汽質(zhì)量達(dá)到表1 中的值時(shí)，該溫度下的空氣濕度已經(jīng)飽和，即相對(duì)濕度RH=100%。相對(duì)濕度的計(jì)算方式為RH=e/E×100%，其中e為實(shí)際的水汽質(zhì)量（g/m3），E為表1 中該溫度條件下的飽和水汽質(zhì)量（g/m3）。

由于溫度變化，當(dāng)物體表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)在物體表面形成凝露。不同相對(duì)濕度的空氣要求的露點(diǎn)溫度不同，相對(duì)濕度RH越高，露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的差值越小。即當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，物體表面溫度比環(huán)境溫度稍低一些就會(huì)產(chǎn)生凝露。不同溫度濕度情況下的露點(diǎn)溫度如圖1 所示，環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，相對(duì)濕度為90%、80%、60%、40%時(shí)，物體表面溫度分別為24 ℃、21 ℃、16 ℃、10 ℃即會(huì)產(chǎn)生凝露。

圖1 不同溫度、濕度情況下的露點(diǎn)溫度

3 基站設(shè)備凝露實(shí)驗(yàn)

通過(guò)上述理論分析，當(dāng)基站設(shè)備內(nèi)PCB 表面溫度低于設(shè)備內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)在設(shè)備PCB 及器件上形成凝露?；驹O(shè)備斷電時(shí)，不再保持發(fā)熱的狀態(tài)，外部高濕空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，再經(jīng)過(guò)溫度變化，導(dǎo)致設(shè)備PCB 溫度低于空氣中露點(diǎn)溫度，形成凝露。本節(jié)通過(guò)理論假定分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式驗(yàn)證下電設(shè)備會(huì)存在凝露。

3.1 理論分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)基站設(shè)備應(yīng)用條件的分析，下電的室外基站設(shè)備主要在清晨日出和暴雨兩個(gè)場(chǎng)景下較易產(chǎn)生凝露。下電的基站在這兩種場(chǎng)景下產(chǎn)生凝露的過(guò)程不盡相同，凝露機(jī)理一致。理論示意過(guò)程忽略溫濕度動(dòng)態(tài)變化，以最終穩(wěn)定方式計(jì)算凝露量。下電基站設(shè)備在清晨日出后凝露的產(chǎn)生過(guò)程如圖2 所示。

圖2 清晨日出前后凝露的產(chǎn)生過(guò)程

清晨日出前基站處于下電狀態(tài)：夜間空氣中相對(duì)濕度較高，相對(duì)濕度達(dá)到100%，由于基站設(shè)備呼吸作用[5]，基站內(nèi)部的空氣溫度與相對(duì)濕度逐漸與外界環(huán)境相同。清晨溫度隨著太陽(yáng)即將升起，溫度逐漸升高，基于熱力學(xué)基本定律：熱量Q=C×m×ΔT，C為比熱容，m為質(zhì)量，ΔT為溫升。由于基站內(nèi)部PCB 表面為銅等金屬材料，假定金屬材料的質(zhì)量是腔體空氣的1 000 倍，空氣比熱容為1.005 J/(kg.℃)，銅的比熱容為0.39 J/(kg.℃)，導(dǎo)致PCB、器件等溫度上升遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于空氣溫度。此時(shí)，在溫度相對(duì)較低的PCB、器件等表面產(chǎn)生了凝露。圖2 中，通過(guò)理論計(jì)算清晨日出導(dǎo)致的凝露量理論值為7.3 g/m3。

下電基站設(shè)備夏日暴雨后凝露的產(chǎn)生過(guò)程如圖3 所示。

圖3 夏日暴雨前后凝露的產(chǎn)生過(guò)程

炎熱潮濕的夏日暴雨前基站設(shè)備下電狀態(tài)：空氣溫度達(dá)到35 ℃，相對(duì)濕度達(dá)到95%。由于基站設(shè)備具有呼吸作用[5]，基站內(nèi)部的空氣溫度與相對(duì)濕度逐漸與外界環(huán)境相同?；驹O(shè)備內(nèi)部空氣中絕對(duì)含水量達(dá)到39.6 g/m3，降雨使基站設(shè)備溫度和腔體空氣溫度快速降低，導(dǎo)致空氣中允許的水汽含量變低，多余的水分凝結(jié)，產(chǎn)生凝露。通過(guò)理論計(jì)算夏日暴雨導(dǎo)致的凝露量理論值為22.3 g/m3。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為快速驗(yàn)證下電和節(jié)能態(tài)的基站設(shè)備是否有凝露的產(chǎn)生，基于第3.1 節(jié)的理論分析，采用下雨的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求及實(shí)驗(yàn)條件

為了模擬真實(shí)自然條件下的降雨，實(shí)現(xiàn)在降雨過(guò)程中的等晗條件，通過(guò)算法控制，設(shè)計(jì)一款新型的高溫淋雨設(shè)備，實(shí)現(xiàn)模擬不同雨量、溫度和濕度的三綜合實(shí)驗(yàn)箱。為保證實(shí)驗(yàn)條件的有效性，降雨參考全國(guó)累積降水量實(shí)況分布圖，選擇的降雨等級(jí)為6 個(gè)等級(jí)中的第4 個(gè)等級(jí)：暴雨。該等級(jí)的降雨量在全國(guó)大多數(shù)省（區(qū)市）均存在，具有一定的典型意義。

5G 基站設(shè)備AAU 和RRU 兩種形態(tài)在三綜合實(shí)驗(yàn)箱中模擬暴雨凝露驗(yàn)證，每種形態(tài)的基站選取兩臺(tái)樣本，一臺(tái)間隔斷電，一臺(tái)節(jié)能不下電，兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。被測(cè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)前照片如圖4 所示。

圖4 被測(cè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)前照片

實(shí)驗(yàn)步驟如圖5 所示，驗(yàn)證條件如下：

步驟1實(shí)驗(yàn)前對(duì)所有設(shè)備PCB 及器件上進(jìn)行濕度檢測(cè)試紙和凝露檢測(cè)試紙布點(diǎn)；

步驟2布點(diǎn)完成后產(chǎn)品正常進(jìn)行組裝，保證設(shè)備組裝與商用發(fā)貨產(chǎn)品一致；

步驟3設(shè)備抱桿安裝置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，被測(cè)模塊電源線，光纖連接按照現(xiàn)網(wǎng)安裝方法安裝；

步驟4確保上電模塊硬件功能正常；

步驟5溫箱初始態(tài)保持25℃，50% RH，穩(wěn)定20 min；溫度按照1℃/min 升溫到55 ℃后，濕度在30 min 內(nèi)升至95% RH，并保持60 h；2 號(hào)設(shè)備上電保持3 h，下電1 h 后淋雨0.5 h，降雨量為2 L/min，淋雨完成后保持下電狀態(tài)0.5 h，再上電；

圖5 實(shí)驗(yàn)步驟

步驟6重復(fù)步驟5 進(jìn)行淋雨下電操作，淋雨循環(huán)要求≥15 次；

步驟71 號(hào)設(shè)備全過(guò)程正常工作；

步驟8淋雨結(jié)束先降濕至50% RH 以下（降濕過(guò)程中打開(kāi)干風(fēng)吹掃系統(tǒng)），并保持5 h 左右，再降溫至25 ℃，保持2 h 開(kāi)箱。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)判定依據(jù)及要求

設(shè)備在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完全模擬現(xiàn)網(wǎng)的工作狀態(tài)，過(guò)程中不進(jìn)行設(shè)備的拆裝，通過(guò)“濕度”檢測(cè)試紙和“凝露”檢測(cè)試紙的顏色作為判定的依據(jù)。其中，“濕度”檢測(cè)試紙可以檢測(cè)環(huán)境的相對(duì)濕度，“凝露”檢測(cè)試紙可以檢測(cè)是否有液態(tài)水形成。兩種試紙配合使用可以給出直接的實(shí)驗(yàn)結(jié)論?！皾穸取睓z測(cè)試紙和“凝露”檢測(cè)試紙的說(shuō)明見(jiàn)表2。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將測(cè)試的AAU 和RRU 兩類共4 件樣品從溫箱中取出進(jìn)行開(kāi)蓋檢測(cè)，觀察濕度檢測(cè)試紙和凝露檢測(cè)試紙的顏色變化情況。

（1）AAU 產(chǎn)品不下電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖6 所示。

該不下電AAU 模塊中濕度檢測(cè)試紙50%變藍(lán)，凝露檢測(cè)試紙無(wú)變色。說(shuō)明該樣品部分區(qū)域相對(duì)濕度達(dá)到RH85%以上，但PCB 板卡無(wú)凝露出現(xiàn)。

圖6 不下電AAU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

（2）AAU 產(chǎn)品間隔斷電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖7 所示。

圖7 間隔斷電AAU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

表2 濕度檢測(cè)試紙和凝露檢測(cè)試紙的說(shuō)明

該間隔斷電AAU 模塊中濕度檢測(cè)試紙100%變藍(lán)，凝露檢測(cè)試紙10%變色，說(shuō)明該樣品相對(duì)濕度達(dá)到RH85%以上，且PCB 板卡部分區(qū)域有凝露形成。

（3）RRU 產(chǎn)品不下電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖8 所示。

該不下電RRU 模塊中濕度檢測(cè)試紙28%變藍(lán)，凝露檢測(cè)試紙無(wú)變色。說(shuō)明該樣品部分區(qū)域相對(duì)濕度達(dá)到RH85%以上，但PCB 板卡無(wú)凝露出現(xiàn)。

（4）RRU 產(chǎn)品下電模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙的顏色變化情況如圖9 所示。

圖8 不下電RRU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

圖9 間隔斷電RRU 模塊實(shí)驗(yàn)前后試紙顏色變化情況

該間隔斷電RRU 模塊中濕度檢測(cè)試紙100%變藍(lán)，凝露檢測(cè)試紙4.1%變色，說(shuō)明該樣品相對(duì)濕度達(dá)到RH85%以上，且PCB 板卡部分區(qū)域有凝露形成。

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了夏日暴雨前后環(huán)境下，基站設(shè)備間隔斷電時(shí)凝露的形成情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是AAU 產(chǎn)品形態(tài)還是RRU 產(chǎn)品形態(tài)、設(shè)備是否斷電，濕度檢測(cè)試紙均有大量變色，這是由于基站設(shè)備IP65 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備內(nèi)外部空氣是可以自由流通的，外部環(huán)境的高濕空氣可以自由地進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，同時(shí)設(shè)備工作時(shí)也可以通過(guò)空氣的流通進(jìn)行散熱。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，由于物理形態(tài)及功耗等方面的差別，AAU 產(chǎn)品與RRU 產(chǎn)品凝露的位置及程度有所不同，但無(wú)論是AAU 產(chǎn)品形態(tài)還是RRU產(chǎn)品形態(tài)，在該環(huán)境下如果設(shè)備剛好處于斷電狀態(tài)，內(nèi)部PCB 板上均出現(xiàn)凝露。而設(shè)備一直上電保持工作狀態(tài)時(shí)則沒(méi)有出現(xiàn)凝露。該現(xiàn)象的主要原因是設(shè)備下電冷卻后，PCB 板溫度和外面環(huán)境溫度相近，而設(shè)備內(nèi)空氣的相對(duì)濕度很大，此時(shí)降雨使得設(shè)備溫度驟降，達(dá)到凝露形成條件，在設(shè)備內(nèi)部的PCB 板、天線板上都有凝露產(chǎn)生。設(shè)備在一直上電時(shí)，有一定的功耗，在PCB 及器件上產(chǎn)生熱量，溫度高于露點(diǎn)溫度，破壞了凝露的形成條件，因此沒(méi)有產(chǎn)生凝露。

4 避免凝露的基站設(shè)備節(jié)能的極限條件分析

綜上可見(jiàn)，基站設(shè)備現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)行間隔斷電時(shí)具有凝露的風(fēng)險(xiǎn)。需采用有效措施進(jìn)行規(guī)避，增加基站設(shè)備防護(hù)等級(jí)可以減緩?fù)獠砍睗窨諝獾倪M(jìn)入，但也同時(shí)阻礙了設(shè)備自身的散熱，由此帶來(lái)成本的增加及過(guò)溫的問(wèn)題。在PCB 板卡表面涂覆聚氨酯材料可以在發(fā)生凝露時(shí)保護(hù)關(guān)鍵器件不發(fā)生損壞，但由此也帶來(lái)散熱及屏蔽蓋與單板接地的問(wèn)題。

通過(guò)上文分析可見(jiàn)，保持一定的功耗可以使得基站設(shè)備內(nèi)部維持一定的溫度，從而避免凝露的產(chǎn)生。通過(guò)式（1）[11]可以根據(jù)模塊內(nèi)部空氣溫度及相對(duì)濕度計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的露點(diǎn)溫度?；驹O(shè)備節(jié)能時(shí)只要保持基站內(nèi)部PCB 及器件溫度在露點(diǎn)溫度T2以上便可以破壞凝露的產(chǎn)生條件，避免凝露的形成。此時(shí)設(shè)備維持住該溫度所需要的功耗便是節(jié)能的極限，當(dāng)繼續(xù)降低功耗時(shí)便有形成凝露損傷設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。其中，T為空氣溫度，RH 為相對(duì)濕度，T2為露點(diǎn)溫度。

通過(guò)凝露計(jì)算式的分析理論，借用第3.2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證當(dāng)前主流的5G 設(shè)備節(jié)能態(tài)下不產(chǎn)生凝露的邊界功耗值。應(yīng)用5G AAU 設(shè)備，設(shè)備開(kāi)啟深度休眠功能，此時(shí)設(shè)備功耗為140 W。設(shè)備內(nèi)部增加濕度傳感器和板溫傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部空氣濕度、模塊內(nèi)部空氣溫度、PCB 溫度，并實(shí)時(shí)計(jì)算露點(diǎn)溫度。在該功耗水平下，PCB板溫度傳感器溫度有10 min 低于露點(diǎn)溫度，通過(guò)分析此時(shí)有凝露形成的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束檢視凝露試紙，發(fā)現(xiàn)試紙檢測(cè)到凝露產(chǎn)生，證實(shí)140 W 功耗下PCB 上有凝露產(chǎn)生。140 W 功耗時(shí)模塊內(nèi)部溫度、濕度及露點(diǎn)變化曲線如圖10 所示。

通過(guò)熱仿真計(jì)算不同功耗下模塊PCB 溫升，通過(guò)板溫升高，破壞凝露產(chǎn)生的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)選取節(jié)能下功耗為170 W，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模塊PCB板溫度始終高于露點(diǎn)溫度，防止凝露產(chǎn)生。通過(guò)圖11 可見(jiàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，板溫度始終高于露點(diǎn)溫度，模塊內(nèi)部沒(méi)有凝露的產(chǎn)生。

基站設(shè)備應(yīng)用時(shí)模塊內(nèi)部PCB 及器件的溫度受功耗、外界氣象條件、使用環(huán)境等多種因素的影響，為避免凝露帶來(lái)危害，節(jié)能狀態(tài)下需要考慮產(chǎn)品的可靠性應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于基站通信設(shè)備領(lǐng)域，針對(duì)基站節(jié)能下凝露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析，研究凝露在基站設(shè)備中產(chǎn)生的機(jī)理，借助三綜合設(shè)備模擬現(xiàn)實(shí)生活中暴雨后設(shè)備凝露風(fēng)險(xiǎn)，佐證了基站設(shè)備間隔斷電下凝露的必然發(fā)生。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到設(shè)備節(jié)能態(tài)下避免凝露的最低功耗邊界值，使設(shè)備內(nèi)PCB 及器件溫度高于露點(diǎn)溫度，進(jìn)而保障設(shè)備在節(jié)能下無(wú)凝露帶來(lái)的設(shè)備損壞。

圖10 140 W 功耗時(shí)模塊內(nèi)部溫度、濕度及露點(diǎn)變化曲線

圖11 170 W 功耗時(shí)模塊內(nèi)部溫度、濕度及露點(diǎn)變化曲線