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插箱在現場出現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，采用調整風扇盤布局結構的方法，通過熱測試，得出實驗數據，并結合熱仿真分析結果確定最佳解決方案，為今后的產品機械結構設計工作提供了寶貴的經驗。

【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務的創新，中國通信技術層次和水平躍居世界前列，信息通信業已成為國民經濟增長的支柱和先導產業。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，通信設備企業必須不斷對產品優化設計，增進產品性能，提高產品競爭力。現有通信設備功能和復雜性日益增長，使得設備內部整體功耗及熱量不斷增加，散熱差導致設備死機現象頻繁發生，影響整個系統的正常運行。

高溫對大多數元器件將產生嚴重影響，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。國外研究電子產品的過熱問題始于60年代，發展了電子設備的熱分析技術、熱設計技術以及熱測試技術。熱設計首先根據設備的可靠性指標及設備所處的環境條件確定熱設計目標，熱設計目標一般為設備內部元器件允許的最高溫度，根據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濟的方法。美國奧克蘭大學B.Cahlon等人采用組合優化理論一模擬退火算法，搜尋電路板元件的最優布局，使得系統溫度的目標函數最優。

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的實際工程應用問題，選擇最恰當的方法，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大的熱流仿真功能，使得工程師在短期內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化和產品改進上去。

2 產品背景介紹

2.1 SMC插箱

SMC是一類緊湊型光多業務節點，專為城域接入和城域匯聚的應用而設計，公司多業務節點產品系列之一。它通過緊湊的設計提供了最強大的SDH功能和容量；通過集成的多業務卡提供了最豐富的數據業務接口；通過最先進的二層交換功能提供了最靈活的業務支持能力。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務中的交叉連接功能，同時也管理整個SMC系統。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 插箱經常出現以下故障：

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，根據生產部門檢測通過的標準是：在高溫50℃的情況下，連續工作24h無誤碼產生；實際測試的情況是：右邊槽位的SYNTH16在40℃的情況下，10分鐘之內產生誤碼；38℃的情況下，16小時之內產生誤碼；35℃的情況下，1小時之內沒有產生誤碼；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。兩款實驗風扇參數規格分別為120mm*120mm*25，4mm和80mm*80mm*25，4mm。

3.1 方案設計

根據摸底實驗結果，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量，這既不經濟，并且可能產生噪聲方面的問題。但考慮到產品的通用性，此風扇盤有可能以后用到其他業務功能的插箱里，增加風扇的數量應該作為首選。而導流板是一種經濟方便的風量調整方法，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，尤其兩塊主業務板風速明顯高于其他三種方案。

為進一步確定最優的風扇布局方案，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據。

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插箱系統的散熱問題。由于風扇盤是通信產品通用規格，所以可以應用到相近插箱系統。大量的實驗數據全面而詳細的分析了故障發生的原因。發現設計中的問題并予以修改。通過一系列方案的調整、篩選，同時配合優化結構設計，才能使產品的可靠性提高，滿足用戶的需求，并降低成本，為今后的產品各級別散熱設計提供了很好的參考。

參考文獻

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