三、热设计
正是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，这里笔者主要讨论工业网络设备中的散热技术和加装散热器技术。
1．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。如TSC产品的外壳（图4）

2．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的等效热路图如图2所示。图中各参数的含义如下：
RTj—半导体器件内热阻，℃/W；
Tj—半导体器件结温，℃；
Tc—半导体器件壳温，℃；
Tf—散热器温度，℃;
Ta—环境温度，℃；
Pc—半导体器件使用功率，W。

 

根据图2，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，Pc是设计要求的参数，RTc可以从热设计专业书籍中查到。

本内容由 卓越信通TSC工业以太网交换机 提供

下面介绍一下散热器的选择。
（1）自然冷却散热器的选择
首先按以下式子计算总热阻RT和散热器的热阻RTf，即：
RT=(Tjmax-Ta)/Pc
RTf=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RTf。
按照RTf≤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（Full SPD）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SANYO FAN DATA SHEET 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。
因此工业交换机应使用高速（High SPD）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（High SPD）状态，比全速（Full SPD）状态更能保证网络安全运行。如下图：

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。
综上所述，由于工业以太网交换机所处的环境的特殊性以及使用时的特殊性（不能停机），在对付高低温，主要是高温环境时采用的对策与普通交换机有很多不同的。
（1）对于较低功率情况，一般P≤10W时，尽量不采用风扇散热，而采用自然散热，如果通过自然对流，或者增大外壳面积外壳褶皱或者采用导热较好的型材,如铝等。
（2）对于功率较大情况，P≥15W时,尤其是有多个光口，甚至是多个单模光口情况下，不能靠自然散热解决问题时，应该采用主动散热方式解决热问题。而主动散热方式目前主要是指加装风扇，但由于工业网络设备不能停机且要长期运行的特殊性，风扇的使用应有如下考虑。
A.风扇不同于普通电子设备的风扇，它应是智能的，智能风扇在使用寿命以及功能上普通风扇有质上的区别。
B.智能风扇应设计为可以热插拨的，也就是系统不停机情况下，如果智能风扇系统报警（工作平常式寿命到期等）情况下，可以在线更换风扇。 采取了以上热设计和散热措施，就可以大大提高网络设备的MTBF，延长其寿命，从而避开法则，使工业网络设备的元器件长期工作在一个“稳定，舒适”的温度环境中,这样“10℃法则”就不起作用,这样也就保证了自动化过程中通迅系统的稳定和可靠性。

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六、授课内容：（根据实际情况可能会有所增减）
（一）、电子设备热控制目的
（二）、电子设备热环境分类
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（四）、电子设备热控制理论与计算
（五）、电子设备的自然冷却设计
　 □热安装技术
□热屏蔽和热隔离
　 □印制板的自然冷却设计
　 □传导冷却
□电子设备机柜和机壳的设计
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　 □系统压力损失及计算
□强迫空气冷却系统的设计
　 □通风管道的设计
□强迫空气冷却的机箱和机柜设计
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　 □冷板的结构类型及选用原则
□冷板的换热计算
　 □冷板的设计步骤
（八）、热电制冷器
　 □热电制冷的基本原理
□制冷器冷端净吸热的计算
　 □最大抽吸热制冷器设计方法
□最佳性能系数制冷器设计方法
　 □多极制冷器的性能
□热电制冷器的结构设计
（九）、液体冷却设计计算
（十）、蒸发冷却设计计算
（十一）、热管传热技术及应用
（十二）、电子设备的热性能评价及改进
　 □评价的目的与内容
□热性能草测
　 □热性能检查项目
□热性能测量
　 □确定热性能缺陷
□热性能改进的制约条件
　 □改进费用与寿命周期费用的权衡
□热设计改进示例
（十三）、计算机辅助热分析技术
　 □计算流体动力学的工作步骤
□计算流体动力学的分支
　 □流体流动的基本特征
□CFD求解过程及软件结构
　 □常用的CFD商用软件
□三维湍流模型
　 □边界条件的应用
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（十四）、热设计实例
（十五）、讨论问题
七、授课专家：
赵惇殳 教授，长期从事电子设备结构设计（热设计、振动与冲击隔离、EMC等）教学与科研工作。
曾任中国计算机学会计算机工程与工艺分会副主任委员、中国电子学会通信分会副主任委员、中国电子学会生产技术分会委员、电子工业部热设计总体组副组长等。承担或参与09、964、968、10#等型号任务的热设计，主持多项国防预研与基金项目的热设计研究工作，主持制订多项有关电子设备热设计的国家标准、国家军用标准、行业标准等。著有《电子设备结构设计原理》、《电子设备振动分析与实验》、《电子机械可靠性与维修性》、《抗恶劣计算机》等著作。
八、授课方法：授课、答疑、交流。学习后由中国高科技产业化研究会向经考核合格的学员颁发结业证书。
九、收费标准：1980元/人（含资料、午餐、证书、课时费） 三人以上九五折。
十、增值服务：现场的技术咨询、会后的技术支持及由我们主办的其它活动优先与优惠权。

北京中际赛威文化发展有限公司
2008年4月25日

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