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(wěn)定工作的一項關鍵技術。自然冷卻和風扇冷卻各具優(yōu)缺點，將二者有機結合，會使得電源具有對環(huán)境適應性更強，壽命長，成本低、維護方便等技術優(yōu)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(xiàn)故障就會導致非常嚴重的后果。我們在實踐工作中的統(tǒng)計結果證實，造成數(shù)據(jù)丟失、硬件故障和停機的主要原因是通信開關電源系統(tǒng)的失效。而電源機房工作環(huán)境溫度的變化對開關電源的工作穩(wěn)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(fā)展而逐漸發(fā)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(zhì)量和可靠性不斷提高。但是每當環(huán)境溫度升高10℃時，主要功率元件的壽命減少50％。出現(xiàn)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(xù)作用下,將萌生多種類型的微觀內(nèi)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(wěn)定性與老化速度是和環(huán)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(fā)熱來散失，所以膨脹系數(shù)不同的多種材料相互聯(lián)系的熱循環(huán)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(fā)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(wěn)定和低的溫度范圍內(nèi)。

    同時快速的冷熱變化會暫時的產(chǎn)生半導體溫度差，從而會產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)定的工作溫度范圍內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)生感應電勢，在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)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(fā)熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)時，在變壓器的初級出現(xiàn)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(wěn)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(fā)元件安裝在金屬散熱器上，通過擠壓熱表面，實現(xiàn)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(shù)，A換熱面積,△t溫度差），若室內(nèi)環(huán)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(xù)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(shù)，m換熱空氣質(zhì)量,△t溫度差）,一旦風扇發(fā)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(nèi)電容、變壓器等電子元件的老化速度并影響其輸出質(zhì)量的穩(wěn)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(yōu)缺點

    通信開關電源冷去技術的設計首先要是滿足行業(yè)各項技術性能要求。為更加適應通信機房的特殊環(huán)境使用環(huán)境，要求其冷卻方式對環(huán)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(tǒng)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(shù)，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(huán)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(yè)通信網(wǎng)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(fā)展，風扇的工作穩(wěn)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(nèi)的溫度變化而變化的。其散熱量 Q＝Km△t（K換熱系數(shù)，m換熱空氣質(zhì)量,△t溫度差）。m換熱空氣質(zhì)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(jīng)常突變，或者市電輸入波動大，就會造成功率元件出現(xiàn)快速的冷熱變化，這種突變的半導體溫度差產(chǎn)生的熱應力與熱沖擊，會導致元件的不同材料部分產(chǎn)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(huán)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(fā)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(wěn)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(diào)節(jié)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(huán)境溫度很不穩(wěn)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(tài)。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(shù)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(huán)境溫度高的情況下，有效的降低整流器內(nèi)部的工作溫度，延長器件使用壽命，又能在環(huán)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(wěn)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(huán)境適應性更強，使用壽命長，可靠穩(wěn)定等技術優(yōu)勢。

來自：中國電子網(wǎng)