基站設備斷電節能凝露現象的研究

付吉祥，張瑞艷，張敏，陶琳，鄧偉

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

一直以來，通信設備的電費支出都是運營商成本重要的一部分，如何節能省電降成本自然成為運營商的重要課題[1]。隨著5G 基站的快速建設，其功耗較4G 設備大幅提升的缺點日益嚴峻，特別是在用戶較少的初期階段，更是一個顯著痛點。

當前，對基站設備進行節能的方法主要是一步步關斷設備中的子器件、子功能，甚至完全下電。然而直接斷電固然可以大幅降低設備功耗，達到終極形態的節能效果，但由此可能帶來的凝露問題卻不容忽視。

凝露是一種自然界中廣泛存在的自然現象，空氣中的水汽會凝結在溫度低于露點溫度的物體表面，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現于各類戶外設備中，學術界、產業界均對其進行了大量的研究。羅宣國等[2-5]分析了電動汽車和小型戶外電子設備凝露產生的原理和危害；韋生文等[6-8]使用人工肺研究了雷達及電子設備的呼吸凝露，發現密封腔體的呼吸作用會使設備內部產生凝露，并解釋了凝露對電子產品的危害；Ou-Qing 等[9]分析了電信設備機柜內部產生凝露的一種典型場景以及凝露對設備產生的危害；Zhang 等[10-12]分析了建筑內部的濕度變化規律以及高濕度空氣甚至建筑表面凝露對建筑物帶來的危害。

本文基于基站通信設備領域，對其凝露場景進行了分析，針對性地設計了等效凝露實驗，從實踐角度探究了基站設備完全下電的凝露風險，并進一步分析基站設備部分關斷時的節能邊界，給出了極限的節能功耗。

2 凝露的基本概念

凝露是一種普遍的自然現象，如清晨草葉上的露珠、冬天玻璃上形成的水霧等。凝露是溫度變化導致的水分析出現象，當物體表面溫度低于空氣露點溫度時，就會在物體表面形成凝露。凝露的水來自于空氣，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量E（g/m3）可以通過飽和濕度表查找，見表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含的水量越大，如25℃時，單位體積（m3）空氣可含有23 g 水汽。當水汽質量達到表1 中的值時，該溫度下的空氣濕度已經飽和，即相對濕度RH=100%。相對濕度的計算方式為RH=e/E×100%，其中e為實際的水汽質量（g/m3），E為表1 中該溫度條件下的飽和水汽質量（g/m3）。

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

圖1 不同溫度、濕度情況下的露點溫度

3 基站設備凝露實驗

通過上述理論分析，當基站設備內PCB 表面溫度低于設備內空氣露點溫度時，就會在設備PCB 及器件上形成凝露。基站設備斷電時，不再保持發熱的狀態，外部高濕空氣進入設備內，再經過溫度變化，導致設備PCB 溫度低于空氣中露點溫度，形成凝露。本節通過理論假定分析和實驗模擬的方式驗證下電設備會存在凝露。

3.1 理論分析

通過對現網基站設備應用條件的分析，下電的室外基站設備主要在清晨日出和暴雨兩個場景下較易產生凝露。下電的基站在這兩種場景下產生凝露的過程不盡相同，凝露機理一致。理論示意過程忽略溫濕度動態變化，以最終穩定方式計算凝露量。下電基站設備在清晨日出后凝露的產生過程如圖2 所示。

圖2 清晨日出前后凝露的產生過程

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

下電基站設備夏日暴雨后凝露的產生過程如圖3 所示。

圖3 夏日暴雨前后凝露的產生過程

炎熱潮濕的夏日暴雨前基站設備下電狀態：空氣溫度達到35 ℃，相對濕度達到95%。由于基站設備具有呼吸作用[5]，基站內部的空氣溫度與相對濕度逐漸與外界環境相同。基站設備內部空氣中絕對含水量達到39.6 g/m3，降雨使基站設備溫度和腔體空氣溫度快速降低，導致空氣中允許的水汽含量變低，多余的水分凝結，產生凝露。通過理論計算夏日暴雨導致的凝露量理論值為22.3 g/m3。

3.2 實驗驗證

為快速驗證下電和節能態的基站設備是否有凝露的產生，基于第3.1 節的理論分析，采用下雨的方式進行實驗室模擬驗證。

3.2.1 實驗設備要求及實驗條件

為了模擬真實自然條件下的降雨，實現在降雨過程中的等晗條件，通過算法控制，設計一款新型的高溫淋雨設備，實現模擬不同雨量、溫度和濕度的三綜合實驗箱。為保證實驗條件的有效性，降雨參考全國累積降水量實況分布圖，選擇的降雨等級為6 個等級中的第4 個等級：暴雨。該等級的降雨量在全國大多數省（區市）均存在，具有一定的典型意義。

5G 基站設備AAU 和RRU 兩種形態在三綜合實驗箱中模擬暴雨凝露驗證，每種形態的基站選取兩臺樣本，一臺間隔斷電，一臺節能不下電，兩臺設備進行實驗驗證。被測設備實驗前照片如圖4 所示。

圖4 被測設備實驗前照片

實驗步驟如圖5 所示，驗證條件如下：

步驟1實驗前對所有設備PCB 及器件上進行濕度檢測試紙和凝露檢測試紙布點；

步驟2布點完成后產品正常進行組裝，保證設備組裝與商用發貨產品一致；

步驟3設備抱桿安裝置于實驗箱內，被測模塊電源線，光纖連接按照現網安裝方法安裝；

步驟4確保上電模塊硬件功能正常；

步驟5溫箱初始態保持25℃，50% RH，穩定20 min；溫度按照1℃/min 升溫到55 ℃后，濕度在30 min 內升至95% RH，并保持60 h；2 號設備上電保持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0.5 h，再上電；

圖5 實驗步驟

步驟6重復步驟5 進行淋雨下電操作，淋雨循環要求≥15 次；

步驟71 號設備全過程正常工作；

步驟8淋雨結束先降濕至50% RH 以下（降濕過程中打開干風吹掃系統），并保持5 h 左右，再降溫至25 ℃，保持2 h 開箱。

3.2.2 實驗判定依據及要求

設備在實驗過程中完全模擬現網的工作狀態，過程中不進行設備的拆裝，通過“濕度”檢測試紙和“凝露”檢測試紙的顏色作為判定的依據。其中，“濕度”檢測試紙可以檢測環境的相對濕度，“凝露”檢測試紙可以檢測是否有液態水形成。兩種試紙配合使用可以給出直接的實驗結論。“濕度”檢測試紙和“凝露”檢測試紙的說明見表2。

3.2.3 實驗結果及分析

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

（1）AAU 產品不下電模塊實驗前后試紙的顏色變化情況如圖6 所示。

該不下電AAU 模塊中濕度檢測試紙50%變藍，凝露檢測試紙無變色。說明該樣品部分區域相對濕度達到RH85%以上，但PCB 板卡無凝露出現。

圖6 不下電AAU 模塊實驗前后試紙顏色變化情況

（2）AAU 產品間隔斷電模塊實驗前后試紙的顏色變化情況如圖7 所示。

圖7 間隔斷電AAU 模塊實驗前后試紙顏色變化情況

表2 濕度檢測試紙和凝露檢測試紙的說明

該間隔斷電AAU 模塊中濕度檢測試紙100%變藍，凝露檢測試紙10%變色，說明該樣品相對濕度達到RH85%以上，且PCB 板卡部分區域有凝露形成。

（3）RRU 產品不下電模塊實驗前后試紙的顏色變化情況如圖8 所示。

該不下電RRU 模塊中濕度檢測試紙28%變藍，凝露檢測試紙無變色。說明該樣品部分區域相對濕度達到RH85%以上，但PCB 板卡無凝露出現。

（4）RRU 產品下電模塊實驗前后試紙的顏色變化情況如圖9 所示。

圖8 不下電RRU 模塊實驗前后試紙顏色變化情況

圖9 間隔斷電RRU 模塊實驗前后試紙顏色變化情況

該間隔斷電RRU 模塊中濕度檢測試紙100%變藍，凝露檢測試紙4.1%變色，說明該樣品相對濕度達到RH85%以上，且PCB 板卡部分區域有凝露形成。

該實驗模擬了夏日暴雨前后環境下，基站設備間隔斷電時凝露的形成情況。通過實驗可以發現，無論是AAU 產品形態還是RRU 產品形態、設備是否斷電，濕度檢測試紙均有大量變色，這是由于基站設備IP65 防護標準設備內外部空氣是可以自由流通的，外部環境的高濕空氣可以自由地進入設備內部，同時設備工作時也可以通過空氣的流通進行散熱。

通過對比實驗，由于物理形態及功耗等方面的差別，AAU 產品與RRU 產品凝露的位置及程度有所不同，但無論是AAU 產品形態還是RRU產品形態，在該環境下如果設備剛好處于斷電狀態，內部PCB 板上均出現凝露。而設備一直上電保持工作狀態時則沒有出現凝露。該現象的主要原因是設備下電冷卻后，PCB 板溫度和外面環境溫度相近，而設備內空氣的相對濕度很大，此時降雨使得設備溫度驟降，達到凝露形成條件，在設備內部的PCB 板、天線板上都有凝露產生。設備在一直上電時，有一定的功耗，在PCB 及器件上產生熱量，溫度高于露點溫度，破壞了凝露的形成條件，因此沒有產生凝露。

4 避免凝露的基站設備節能的極限條件分析

綜上可見，基站設備現網應用過程中進行間隔斷電時具有凝露的風險。需采用有效措施進行規避，增加基站設備防護等級可以減緩外部潮濕空氣的進入，但也同時阻礙了設備自身的散熱，由此帶來成本的增加及過溫的問題。在PCB 板卡表面涂覆聚氨酯材料可以在發生凝露時保護關鍵器件不發生損壞，但由此也帶來散熱及屏蔽蓋與單板接地的問題。

通過上文分析可見，保持一定的功耗可以使得基站設備內部維持一定的溫度，從而避免凝露的產生。通過式（1）[11]可以根據模塊內部空氣溫度及相對濕度計算得到當前狀態下的露點溫度。基站設備節能時只要保持基站內部PCB 及器件溫度在露點溫度T2以上便可以破壞凝露的產生條件，避免凝露的形成。此時設備維持住該溫度所需要的功耗便是節能的極限，當繼續降低功耗時便有形成凝露損傷設備的風險。其中，T為空氣溫度，RH 為相對濕度，T2為露點溫度。

通過凝露計算式的分析理論，借用第3.2.1 節實驗條件驗證當前主流的5G 設備節能態下不產生凝露的邊界功耗值。應用5G AAU 設備，設備開啟深度休眠功能，此時設備功耗為140 W。設備內部增加濕度傳感器和板溫傳感器，實時監測模塊內部空氣濕度、模塊內部空氣溫度、PCB 溫度，并實時計算露點溫度。在該功耗水平下，PCB板溫度傳感器溫度有10 min 低于露點溫度，通過分析此時有凝露形成的風險，實驗結束檢視凝露試紙，發現試紙檢測到凝露產生，證實140 W 功耗下PCB 上有凝露產生。140 W 功耗時模塊內部溫度、濕度及露點變化曲線如圖10 所示。

通過熱仿真計算不同功耗下模塊PCB 溫升，通過板溫升高，破壞凝露產生的過程，實驗選取節能下功耗為170 W，通過實驗驗證，模塊PCB板溫度始終高于露點溫度，防止凝露產生。通過圖11 可見在整個實驗過程中，板溫度始終高于露點溫度，模塊內部沒有凝露的產生。

基站設備應用時模塊內部PCB 及器件的溫度受功耗、外界氣象條件、使用環境等多種因素的影響，為避免凝露帶來危害，節能狀態下需要考慮產品的可靠性應用。

5 結束語

本文基于基站通信設備領域，針對基站節能下凝露風險進行深入分析，研究凝露在基站設備中產生的機理，借助三綜合設備模擬現實生活中暴雨后設備凝露風險，佐證了基站設備間隔斷電下凝露的必然發生。同時通過實驗驗證得到設備節能態下避免凝露的最低功耗邊界值，使設備內PCB 及器件溫度高于露點溫度，進而保障設備在節能下無凝露帶來的設備損壞。

圖10 140 W 功耗時模塊內部溫度、濕度及露點變化曲線

圖11 170 W 功耗時模塊內部溫度、濕度及露點變化曲線