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工業(yè)以太網(wǎng)交換機的可靠性:溫度vs.運動(dòng)部件
2006年12月15日 星期五 11:28 A.M.
通常的觀(guān)點(diǎn)認為：在高溫的工業(yè)環(huán)境當中，對諸如以太網(wǎng)交換機等電子設備采用自然對流冷卻（通過(guò)散熱器和其它被動(dòng)散熱手段）是顯而易見(jiàn)的選擇。用一位權威人士的話(huà)來(lái)說(shuō)，無(wú)風(fēng)扇電子系統能夠在重要盒層級（box level）提供“固態(tài)系統固有的可靠性”。但是，通常的觀(guān)點(diǎn)也許是錯誤的。
工業(yè)系統通常具有寬敞的外殼，被安裝在儀表盤(pán)上或是現場(chǎng)，有合理數量的自由流動(dòng)空氣環(huán)繞在系統周?chē)�。而應用在工業(yè)場(chǎng)合的部件高度密集的信息設備通常會(huì )被安裝在工業(yè)控制中心里面，在那里空間是非常寶貴的。機架安裝的盒式結構的設備－例如那些架裝的以太網(wǎng)交換機－被設計的非常緊湊。當空氣流通受到限制的時(shí)候，內部的溫度就有可能升高，這樣就會(huì )導致操作溫度對平均故障間隔時(shí)間（MTBF）所造成的影響比潛在的機電故障率所造成的影響還要大。
在為工業(yè)以太網(wǎng)交換機選擇冷卻技術(shù)的時(shí)候，最重要的考慮就是將要使用交換機的應用類(lèi)型。對于以太網(wǎng)交換機來(lái)說(shuō)外部條件非常重要，在只能對交換機系統進(jìn)行非經(jīng)常的目視檢查的應用當中，可能需要強制密封的、自由對流冷卻設備。環(huán)境因素－例如灰塵、昆蟲(chóng)侵入和潮濕－即使在裝備了空氣過(guò)濾器的情況下也能夠損
害風(fēng)扇冷卻系統。同樣的，在微粒濃度很高區域（例如礦山）或是對風(fēng)扇噪音無(wú)法接受的區域（例如電影演播室）室內安裝的交換機系統采用一種自由對流冷卻的密閉系統結構可能會(huì )比較好。
當極端的環(huán)境狀況不是應用當中的支配因素，而且電機的噪音對設施的環(huán)境噪聲水平的影響也很小的情況下，風(fēng)扇冷卻系統也可以提供比較高的可靠性。
平均故障間隔時(shí)間測試
最近有一個(gè)對被動(dòng)冷卻和風(fēng)扇冷卻的24口以太網(wǎng)交換機進(jìn)行的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）計算，該計算采用了Bellcore可靠性預計程序（RPP），這是一種受到廣泛應用的平均故障間隔時(shí)間預估方法。Bellcore可靠性預計程序（RPP）的基礎是系統部件參數，例如晶體管的數量、功率消耗和環(huán)境因素等。由于這個(gè)計算涉及了集成在各種交換機中的類(lèi)似組件，因此總體上來(lái)說(shuō)各家不同供應商的工業(yè)以太網(wǎng)交換機應該具有相類(lèi)似的概況。
在30℃的環(huán)境溫度下，被動(dòng)冷卻式交換機的計算平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為10年，略微超過(guò)風(fēng)扇冷卻式交換機的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）：8年。在40℃的環(huán)境溫度下，平均故障間隔時(shí)間（MTBF）分別為：9.5年和7.5年。在50℃的環(huán)境溫度下，自然對流冷卻系統的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）降低到了低于8年，而強制對流冷卻系統的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為大約7年。
但是MTBF計算方法是有缺陷的，這個(gè)計算的基礎是系統操作時(shí)所在的環(huán)境溫度。而在現實(shí)當中，各個(gè)組件都是在一個(gè)外殼內部運行的，里面比環(huán)境溫度熱。而且根據數據趨勢的顯示，溫度是組件發(fā)生故障的因素之一。
對運行溫度所進(jìn)行的測量表明：對于機架安裝的以太網(wǎng)交換機來(lái)說(shuō)，采用自然對流冷卻方式時(shí)內部的平均溫度比環(huán)境溫度高40℃。與之相比，采用風(fēng)扇冷卻方式時(shí)的內部溫度只比環(huán)境溫度高15℃。這里25℃的溫度差別在任何環(huán)境溫度下基本保持不變。當外殼內部的運行溫度超過(guò)85℃時(shí)，就會(huì )對設備的可靠性造成影響。85℃是高度精密的電子部件所能允許的最高溫度。
根據以上給出的內部溫度差數據，自然對流設計對于機架安裝式的交換機適合于最高45-50℃的環(huán)境溫度，在這種環(huán)境下還能夠保持正常的可靠性。在將內部運行溫度這個(gè)因素考慮進(jìn)去以后，在其它環(huán)境條件相同的情況下，強制對流系統很可能反而具有更高的可靠性，即使對于較低的環(huán)境溫度也是如此。圖表中的2條曲線(xiàn)顯示了機架安裝式設計的交換機總體MTBF的計算結果，2條曲線(xiàn)分別顯示了在一定溫度范圍內帶有強制對流系統和不帶強制對流系統的交換機的MTBF計算結果。在2條曲線(xiàn)之間的空間就是采用自然對流設計（頂部的那個(gè)曲線(xiàn)）和采用強制對流設計時(shí)電子部件可靠性的差別。垂直的棒圖表示了機架安裝式交換機運行在環(huán)境溫度25℃的舒適房間內時(shí)的內部溫度計算結果。
對于強制對流設計（左邊的棒圖），內部組件的運行溫度與環(huán)境溫度之間的溫差有15℃，因此內部組件的實(shí)際運行溫度為40℃。覆蓋在曲線(xiàn)上的左邊的綠色小點(diǎn)顯示了電子組件在外殼內部受到加熱的真實(shí)情況下，采用風(fēng)扇冷卻方式的交換機的預期可靠性數據：7.5年。對于采用自然對流冷卻方式的交換機（右邊的棒圖），內部電子組件的運行溫度比室溫高25℃，因此其外殼內部的運行溫度為65℃。自然對流冷卻設計的交換機的可靠性也從9.5年直線(xiàn)下降到5.5年。
灼熱的內部
對封裝在一個(gè)盒子狀結構里面的電子部件進(jìn)行冷卻是一個(gè)挑戰，這個(gè)挑戰很可能會(huì )更大程度的變成我們的需要。研究表明通訊和網(wǎng)絡(luò )系統領(lǐng)域所有類(lèi)型電子設備的單位面積電子產(chǎn)品熱負荷（瓦特/平方英尺）在過(guò)去的十年當中已經(jīng)增加了超過(guò)10倍，而且還將繼續增加。
工業(yè)領(lǐng)域的工程師們正在努力工作，發(fā)展更高效的散熱設備來(lái)改善較高操作溫度帶來(lái)的不利影響。減小波形因數、采用銅材料來(lái)獲得更好的導熱性能、采取更加先進(jìn)的散熱結構（波浪狀結構、薄片形結構、micro-forged或者machined fin結構）在即使空氣流通受到限制的情況下也能消散比較高的熱負荷。就像世間的任何事情一樣，冷卻內部電子組件的效率更高也直接表明了產(chǎn)品的可靠性更高，這比紙上談兵的計算發(fā)生機電故障的潛在可能性要有說(shuō)服力得多。
關(guān)于強制對流設備會(huì )給工業(yè)系統帶來(lái)無(wú)法接受的不可靠性的觀(guān)念是非常流行的，以至于許多工業(yè)以太網(wǎng)交換機供應商紛紛自動(dòng)的把“沒(méi)有移動(dòng)部件”當作默認的解決方案。實(shí)際上更為合理的說(shuō)法應該是風(fēng)扇冷卻方式和被動(dòng)冷卻方式在工業(yè)應用領(lǐng)域各有其得天獨厚的應用天地。
在“臟”的應用環(huán)境當中，為了達到令人滿(mǎn)意的可靠性程度必須采用密封盒結構和自然對流結構。在環(huán)境污染不是主要因素的應用場(chǎng)合，風(fēng)扇冷卻方式也許是更好的選擇。在不斷增加的工業(yè)應用當中，目前“顯而易見(jiàn)”的選擇－自然對流－也許會(huì )再也不會(huì )那么“眾望所歸”了。
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