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一、系统热设计关键设计步骤

1）根据系统功耗、应用环境等确定适当的散热（加热）方式

室内、室外型设备；环境温度高低；对散热方式的要求等，确定产品的基本散热方式。

2）系统风道设计

合理分配系统气流，确定进出风口的位置、面积，选用风扇的数量及型号等。需要考虑机柜系统的配置和机房的散热方式。

3）单板和关键器件温度分析

根据风道流场分布、风道温度分布和芯片/散热器热性能参数，保证关键单板和器件应具有散热的可能性。

4）产品构成模块的散热分析

在系统散热条件下，分析通过产品构成模块的流量/流速是否满足规格要求。

5）散热系统保障性分析

对于以风扇进行空气驱动的强迫风冷散热系统，需要通过分析确定：风扇单元中单风扇故障情况下关键器件的温度能否保证在长期工作条件下小于安全温度上限。同时需要评估风扇单元的维护安全性。

6）散热噪声预计分析

根据散热系统的风扇数量和型号，预估系统的散热噪声，评估散热噪声是否能够满足规格要求，已经可能的降噪措施分析。或以噪声达标为条件，约束系统散热能力。

二、通信产品热设计适用的主要标准

GR63《NEBS Requirements: Physical Protection》

GR487《CORE Issue 2_Outdoor_cabinet》

GR3108《Generic Requirements for Network Equipment in the Outside Plant (OSP)》

GR3028《ThermalManagement In Telecommunications Central Offices:》

EN300019 －1/-2

EN300119 05

ETSI 300 019 ETSI环境测试条件标准

ETSI 300 119-5 Europeantelecommunication standardfor equipment practice; Part 5:Thermal management

ETS 300 753 Acoustic noise emittedby telecommunications equipment

GR-63-CORE Physical Protection

GR-3028-CORE Thermal Management InTelecommunication Central Offices

GB/T 31845-2015 电工电子设备机械结构 热设计规范三、系统运行环境和规格

1目标市场的产品运行环境条件

1.1温度和湿度范围

1.2海拔条件

1.3太阳辐射条件

1.4其它条件（防火、凝露、噪声等）

2 产品单板及配置功耗

2.1 配置单元和整机的功耗

2.2 各单板的总功耗预计值

2.3 主要单板大致布局

3关键器件热性能参数

3.1 热耗参数

3.2 热阻参数

3.3 允许温度范围

4 产品组成模块的散热要求—— 散热流量/流速和散热环境要求

5 产品散热系统保障性的要求

产品的热设计受到诸多限制，系统热设计需要综合考虑并解决主要矛盾、寻求平衡点。

四、国际标准中允许的风道形式

下图是GR3028标准中推荐的风道形式，针对插箱级设备，独立来看，几乎各种风道形式都可以，只要满足设备本身的散热即可。但，当设备本身放置到机房中后，和不同气流组织架构的机房是否匹配，仍然需要考虑。否则，将面临着设备散热情况恶劣，或机房能耗过高的情况。

如下表所示，不同的机房气流架构，对应了不同的单位面积散热能力，也匹配不同形式的最优设备风道形式。

然而，随着设备功耗越来越大，对机房本身的散热能力要求也越来越高，机房架构和设备气流之间匹配问题越来越突出。各自风道的精细化，就要求互相之间匹配关系也更加精细化。（此部分内容涉及到机房热管理相关，后续有机会专门讨论）

ICT杂谈 发起了一个读者讨论在GR3028中，可用设备风道形式很多，但随着功耗的增大，设备风道形式如何变化？

五、各种风道系统的不同热特性

风扇抽风有利于机箱内部所有热源均匀散热。对于机箱设备在内部没有“清晰的”风道下避免使用，否则由于各部件的阻挡作用而使气流淤滞，散热效果恶化。从防尘的角度看抽风不利。另外抽风会降低风扇的使用寿命。

六、系统散热设计主要步骤

1）根据系统温升确定系统所需风量

W=Q×Cp×ρ×∆T

其中：∆T为温升，ρ为空气密度，Cp为空气定压比热，Q为空气的流量，W为一定流量的空气在一定的温升下所能带走的热量。因此，在相同的允许温升下，系统功耗越大，空气流量也必须越大。

上述公式变形后得到计算系统流量的简化公式：

Q＝（1.76×W）/ ∆T 单位为英制CFM（每分钟立方英尺）

其中， ∆T的取值原理：根据欧洲有关安全标准，系统出口最高空气温度不超过70℃（只考虑电缆时，为75℃）；再根据环境标准确定设备最高工作环境温度，两者之差即为∆T。

不同的散热架构决定了不同的散热能力！

如果A、B系统总功耗相同，通过A子架的风量必须为B子架的三倍，风扇性能就要高很多；换言之，对相同的子架风量（系统总风量不同），B系统的系统和槽位散热能力是A系统的三倍。

C系统介于A、B系统之间。

2）根据系统关键器件所要求的风速确定系统散热风量

热设计是为了满足关键器件的散热需求，因此在设计初期，需要根据关键器件的功耗、热阻特性、封装并考虑可行的散热解决方案，确定满足器件散热的最小局部风速。在没有特殊导风措施下，可简单地把这个速度作为系统单板之间的平均风速，并以此计算系统所需的散热风量。公式为：

Q＝A×V

其中A为单板子架单板区内可通风的面积，V为关键器件散热所需要的风量。

在工程化的产品开发中，系统散热设计方案受诸多因素的制约，如市场定位、产品系列规划、结构设计等等。系统散热设计方案是平衡各因素后的一个折中的解决方案。然而，其核心是在某个产品系统散热方案下，系统和器件的散热问题都有解决的可能性。因此，在进行系统方案设计时，必须首先了解系统可能配置的最大功耗单板、热性能最差的器件、可能的配置等，以及产品后续版本的功耗规划。

3）风扇选型和布局

理论上应该按照系统的阻力特性、系统所需风量来确定风扇型号。如右图所示。风扇的工作点（风扇特性曲线fancharacteristic与系统特性曲线systemimpedance的交点）必须位于系统特性曲线与系统设计流量线（CFMin system）交点的上方。考虑不同风扇，能满足上述要求的风扇就是所需要的风扇。

值得注意的是，前述的风扇特性曲线一般并不是单个风扇的特性曲线，而是根据风扇系统的串并联方式确定的风扇系统特性曲线。下左图为风扇串联，下右图为风扇并联。

4）风道具体设计要点

合理的空气进出口设置和空气通路：确保空气流大部分流经发热部位。

风道设计中需要注意的问题

A风道密闭，避免漏风

B风扇的增压、均流空间，>1/4~/3风扇直径

C固定风扇的安装板开孔：区分inlet、outlet并严格遵守

D高风速区域的障碍物阻力最大，设计中衡量结构件对气流的阻碍作用，采用影响较小的方案

E风扇附近不要存在大尺寸障碍物，如单板滑道的支撑横梁

F采用蜂窝孔形式并提高进出风口开孔面积

G走线空间兼做进风空间

H由于进出风口风速最大，此处的结构设计对系统散热的影响非常突出（粗略计算的压力损失约为整个系统的20%～50％）

I 防尘网距离风扇：>1/8～1/6风扇直接。

5）系统散热安全性设计

在国际标准、运营商和设备自身运维成本这三个方面，要求设备在单风扇故障时能正常工作，目前GR63明确规定单风扇失效时，需要满足的环境温度是40℃。

要实现这个需求，目前主要的方法是通过风扇系统的串联或并联提高散热系统冗余，在一些领域或场合下，降低设备功耗也是一种方法。

A）子架风扇系统的冗余备份：

1）并联冗余

采用这种方式备份，对空间要求不高，而且采用这种思路的不足在于，受单板深度方向尺寸的局限，这种思路可能影响风扇尺寸，进而影响系统散热能力、供电、噪声等

2）串联冗余

当某一风扇故障时，相同位置仍有一个风扇在工作，从而达到较好的备份效果。这种思路对风扇框的高度要求有所增加，而且对系统噪声影响较大。

B）多子架组成的机柜系统风扇冗余备份

其不足在于机柜散热系统只能采用串联的风道形式。

热设计基础（1）-热传递三种方式、热阻、器件热特性

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