通信開關電源冷卻方式對性能和使用壽命的影響

  摘要：降低通信開關電源的溫升是提高使用壽命的重要途徑，整流器的冷卻方式是保證可靠穩定工作的一項關鍵技術。自然冷卻和風扇冷卻各具優缺點，將二者有機結合，會使得電源具有對環境適應性更強，壽命長，成本低、維護方便等技術優勢。

    關鍵詞：通信開關電源  整流器  冷卻方式   使用壽命 前言

    通信開關電源是通信的基礎設施，一旦出現故障就會導致非常嚴重的后果。我們在實踐工作中的統計結果證實，造成數據丟失、硬件故障和停機的主要原因是通信開關電源系統的失效。而電源機房工作環境溫度的變化對開關電源的工作穩定性能和使用壽命及其相關，因此，電源選擇合適的冷卻方式,可以保證通信電源的可靠使用。

    一、溫度對通信開關電源性能和壽命的影響

    通信開關電源的主要部件是高頻開關整流器，它是伴隨功率電子學理論和技術及功率電子器件的發展而逐漸發展成熟的。采用軟開關技術的整流器，功耗變得更小，溫度更低，體積和重量都有大幅度下降，整體質量和可靠性不斷提高。但是每當環境溫度升高10℃時，主要功率元件的壽命減少50％。出現這樣壽命迅速下降的原因都是由于溫度的變化。由各種微觀和宏觀機械應力集中所導致的疲勞失效,鐵磁性材料及其他零部件運行時在交變應力持續作用下,將萌生多種類型的微觀內部缺陷。因此保證設備的有效散熱，是保證設備可靠性和壽命的必要條件。1、 工作溫度與功率電子組件的可靠性和壽命的關系。電源是一種電能轉換設備，在轉換過程中本身需要消耗掉一些電能，而這些電能則被轉化為熱量釋出。電子元件工作的穩定性與老化速度是和環境溫度息息相關的。功率電子組件是由多種半導體材料組成的。由于功率元件工作時的損耗是由其自身發熱來散失，所以膨脹系數不同的多種材料相互聯系的熱循環會引起非常顯著的應力，甚至有可能導致瞬間斷裂，使元件失效。若功率元件長期工作在異常的溫度條件下，會引發將導致斷裂的疲勞。由于半導體存在熱疲勞壽命，這就要求其應該工作在相對穩定和低的溫度范圍內。

    同時快速的冷熱變化會暫時的產生半導體溫度差，從而會產生熱應力與熱沖擊。使元件承受熱――機械應力，當溫差過大時，導致元件的不同材料部分產生應力裂紋。使元件過早失效。這也就要求功率元件應工作在相對穩定的工作溫度范圍內，減少溫度的急劇變化，以消除熱應力沖擊的影響，保證元件長期可靠的工作。2、工作溫度對變壓器的絕緣能力影響變壓器的初級繞組通電后，線圈所產生的磁通在鐵心流動，由于鐵心本身是導體，在垂直于磁力線的平面上會產生感應電勢，在鐵心的斷面上形成閉合回路并產生電流，稱為“渦流”。這個“渦流”使變壓器的損耗增加，并使變壓器的鐵心發熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產生的損耗稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器使用的銅線，這些銅導線存在著電阻，電流流過時這電阻會消耗一定的功率，這部分損耗變成熱量而消耗，稱這種損耗為“銅損”。所以鐵損和銅損是變壓器工作產生溫升的主要原因。由于變壓器工作溫度升，必然造成線圈老化，當其絕緣性能下降后，導致抗市電的沖擊能力減弱。這時若有雷擊或市電浪涌出現時，在變壓器的初級出現的高反壓會將變壓器擊穿，使電源失效，同時還有高壓串入通信主設備，組成主設備損壞的危險。

    二、冷卻方式對電源工作溫度的影響

    電源的散熱一般采用直接傳導和對流傳導二種方式，直接熱傳導是熱能沿物體從溫度高的一端向溫度低的一端傳遞，其熱傳導的能力穩定。對流傳導是液體或氣體通過回轉運動，使溫度趨于均勻的過程。由于對流傳導牽扯到動力過程，降溫比較順速。

    將發元件安裝在金屬散熱器上，通過擠壓熱表面，實現高低不等能量體傳遞能量，能夠依靠大面積的散熱片輻射出去的能量并不多。這種熱傳導方式稱為自然冷卻，它對熱量散失延遲時間較長。換熱量Q＝KA△t（K換熱系數，A換熱面積,△t溫度差），若室內環境溫度偏高，△t的絕對值就小，這時這種傳熱方式的散熱性能就會大大下降。在電源中增加風扇將能量轉換中堆積的熱量迅速排出電源之外。風扇對散熱片的持續送風，則可以被視為對流傳遞能量。稱為風扇冷卻，這種散熱方式的延遲時間短長。散熱量 Q＝Km△t（K換熱系數，m換熱空氣質量,△t溫度差）,一旦風扇發生轉速降低、停轉，m值將迅速降低，電源中堆積的熱量將會很難散失，這就會大大增加電源內電容、變壓器等電子元件的老化速度并影響其輸出質量的穩定性，最終導致元器件燒毀、設備失效。

    三、 通信電源散熱的主要方法及優缺點

    通信開關電源冷去技術的設計首先要是滿足行業各項技術性能要求。為更加適應通信機房的特殊環境使用環境，要求其冷卻方式對環境溫度變化適應性強。目前整流器常用的冷卻方式有自然冷卻、純風扇冷卻、自然冷卻和風扇冷卻相結合三種。自然冷卻具有無機械故障，可靠性高；無空氣流動，灰塵少，有利于散熱；無噪音等特點。純風扇冷卻具有設備重量輕，成本低。風扇和自然冷卻相結合的技術具有有效減小設備體積和重量，風扇的使用壽命高，風扇故障自適應能力強等特點。

    1、自然冷卻自然冷卻方式是開關電源早期的傳統冷卻方式，這種方式主要是依靠大的金屬散熱器來進行直接的熱傳導式散熱。換熱量Q＝KA△t（K換熱系數，A換熱面積,△t溫度差）。當整流器輸出功率增大時，其功率元件的溫度會上升，△t溫度差也增加，所以當整流器A換熱面積足夠時，其散熱是沒有時間滯后，功率元件的溫差小，其熱應力與熱沖擊小。但這種方式的主要缺點就是散熱片體積和重量大。變壓器的繞制為盡可能降低溫升，防止溫度的上升影響其工作性能，所以其材料選擇的裕量較大，變壓器的體積和重量也大。整流器的材料成本高，維護更換不方便。由于其對環境的潔凈度要求不高，目前對于小容量通信電源，在些小型專業通信網還有部分應用，如電力、石油、廣電、軍隊、水利、國安、公安等。2、 風扇冷卻隨著風扇制造技術的發展，風扇的工作穩定性和使用壽命有較大的進步，其平均無故障時間是5萬小時。采用風扇散熱后可以減去笨重的散熱器，使得整流器的體積和重量大大改善，原材料成本也大大降低。隨市場競爭的加劇，市場價格的下滑，這種技術已成為當前的主要潮流。這種方式的主要缺點是風扇的平均無故障時間較整流器10萬小時時間短，若風扇故障后對電源的故障率影響大。所以為保證風扇的使用壽命，風扇的轉速是隨設備內的溫度變化而變化的。其散熱量 Q＝Km△t（K換熱系數，m換熱空氣質量,△t溫度差）。m換熱空氣質量是和風扇的轉速相關，當整流器輸出功率增大時，其功率元件的溫度會上升，而功率元件溫度的變化到整流器能將這種變化檢測到，再到增加風扇的轉速以加強散熱，在時間上是有很大滯后的。如果負載經常突變，或者市電輸入波動大，就會造成功率元件出現快速的冷熱變化，這種突變的半導體溫度差產生的熱應力與熱沖擊，會導致元件的不同材料部分產生應力裂紋。使之過早失效。3、 風扇和自然冷卻相結合由于環境溫度的變化和負載的變化，電源工作時的耗散熱能，采用風扇和自然冷卻方式相結合可以更快的將熱能散發出去。這種方式在增加風扇散熱的同時，可以減少散熱器面積，使得功率元件工作在相對穩定的溫度場條件下，使用壽命不會因為外部條件變換受影響。這樣不僅克服純風扇冷卻對的功率元件散熱調節滯后的缺點，也了避免風扇使用壽命低影響整流器的整體可靠性。尤其在機房的環境溫度很不穩定的情況下，采用風冷和自冷相結合的冷卻技術具有更好的冷卻性能。這種方式整流器的材料成本在純風扇冷去和自然冷卻兩種方式之間，重量低，維護方便。

    尤其在采用智能風冷和自冷技術時，可以讓整流器在低負載工作條件下，模塊溫升小，模塊風扇處于低速運轉狀態。在高負載工作條件下，模塊升溫。模塊升溫超過55℃。風扇轉速隨溫度變化線性增長。風扇故障在位檢測，風扇故障后，風扇故障限流輸出，同時故障報警。由于風扇運轉數度與負載大小相關，使得風扇的使用壽命比純風冷時要長，其可靠性也大大提高。

    四、結束語

    通信開關電源采用風扇和自然冷卻相結合的冷卻方式，既能在環境溫度高的情況下，有效的降低整流器內部的工作溫度，延長器件使用壽命，又能在環境溫度低及負載低的情況下，整流器的風扇降低轉速工作，延長風扇的使用壽命。采用散熱器散熱，其器件間距及爬電距離可相對較遠，在高濕度的情況下，，安全性能高。整流器體積較小、重量較輕，使維護工作變得輕松。

    為保證通信開關電源的整流器的可靠穩定工作，減少其工作溫升是一項關鍵技術。采用智能風冷和自冷相結合技術。具有對環境適應性更強，使用壽命長，可靠穩定等技術優勢。

來自：中國電子網