工业交换机的热设计

   由于过高温度对工业网络设备的影响是致命的，所以在设计这类产品时，除了设备的元器件要选择宽温度范围的工业级元器件外，更要充分重视设备的热设计。 　　

   电子产品的热设计主要包括散热、加装散热器和制冷三类技术，这里主要讨论工业网络设备中的散热技术和加装散热器技术。 　　 　　

（一）散热应用中常采用的方法 　　 　　

第一种是传导散热方法，可选用导热系数大的材料来制造传热元件，或减小接触热阻并尽量缩短热路径。 　　 　　

第二种是对流散热方式，对流散热方式有自然对流散热和强迫对流散热两种方法。自然对流散热应注意以下几点：

设计印制板和元器件时必须留出多余空间； 　　 　　

安排元器件时，应注意温度场的合理分布； 　　 　　

充分重视应用烟囱拨风原理； 　　 　　

加大与对流介质的接触面积。 　　 　　

强迫对流散热方式可采用风机（如计算机上的风扇）或双输入口推拉方式（如带换热器的推拉方式）。 　　 　　

第三种是利用热辐射特性方式，可以采用加大发热体表面的粗糙度、加大辐射体周围的环境温差，或加大辐射体表面的面积等方法。 　　 　　

（二）加装散热器 　　 　　

工业电子类设备在热设计中，最常采用的方法是加装散热器，其目的是控制半导体的温度，尤其是结温Tj，使其低于半导体器件的最大结温Tjmax，从而提高半导体器件的可靠性。半导体器件和散热器安装在一起工作时包含：半导体器件内热阻RTj、结温Tj、壳温Tc、散热器温度Tf、环境温度Ta及半导体器件的使用功率Pc。散热器的热阻RTf应为：RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc散热器热阻RTf是选择散热器的主要依据。Tj、RTj是半导体器件提供的参数，Pc是设计要求的参数，RTc可以从热设计专业书籍中查到。下面介绍一下散热器的选择。 　　 　　

1．自然冷却散热器的选择 　　 　　

首先计算总热阻RT和散热器的热阻RTf，即：RT=(Tjmax-Ta)/PcRTf=RT-RTj-RT。算出RT和RTf之后，可根据RTf和Pc来选择散热器。选择时，根据所选散热RTf和Pc曲线，在横坐标上查出已知Pc，再查出与Pc对应的散热器的热阻R'Tf。按照R'Tf≤RTf的原则,选择合理的散热器即可。 　　 　

2．强迫风冷散热器的选择 　　 　　

强迫风冷散热器在选择时应根据散热器的热阻RTf和风速来选择合适的散热器。 　　 

3．散热风扇的设计 　　 　　

普通商用交换机的风扇，工作一直处于全速（FullSPD）状态，除其造成电能浪费、增大整机噪音外，还会增加不必要的电源发热，机箱内灰尘过多堆积等。更重要的是风扇在全速状态时其寿命约为2万小时，也就是2.28年（由SANYOFANDATASHEET给出的数据），2万小时后风扇转速会逐渐下降，给整机带来不稳定因素。但由于没有监控单元，这种隐患很难发现：例如当交换机丢包率逐渐上升时，并不容易查到是由于风扇老化转速降低及灰尘堆积太厚导致机箱内关键部件温度升高所致。工业交换机应使用高速（HighSPD）风扇并带有智能监控电路，实时监测和控制网络交换机的运行状况，例如监控机箱风扇、主交换芯片温度、机箱温度，光收发器件温度等,这也就是我们所说的“智能风扇”。交换机工作过程中智能监控电路会根据被测元件的温度或风扇转速信号自动调节风扇转速，给网络交换机散热。风扇的转速主要与交换机负载和环境温度有关。在环境温度一定时，当交换机数据负载减轻时，功耗减小，风扇转速自动降低，当交换机数据负载加重时，功耗加大，风扇速转速自动上升。在数据负载一定的情况下，当交换机处在低温环境时，风扇转速自动降低，处在高温环境时风扇转速自动升高。在高温高负载情况下，风扇可处在应急高速（HighSPD）状态，比全速（FullSPD）状态更能保证网络安全运行。 　　 　　

4．智能风扇控制器运行特性 　　 　　

采用智能风扇控制技术后可延长风扇寿命，减少机内灰尘堆积、降低风扇噪声，节约电量使用，保证系统有效工作。另外控制器不仅能对风扇失效停转、温度超过警戒线提供报警，而且对于由于老化或风道阻力异常增大、转速低于正常值或监测点温度异常升高等前期隐患均能给出相应的中英文语音提示，方便网络管理人员将事故消灭在萌芽阶段。