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通信机箱温度场分析

返回列表 来源：admin 浏览：发布日期：2019-02-19

1. 概述

现代网络通信技术的发展十分迅速，随着高清视频和高速数据业务的迅速发展，人们对带宽的要求越来越高，每时每刻都有海量信息需要传输。骨干网络的速度已经前几年的1000M、10G，发展到在的40G、100G，今后还将朝着更高的速度发展。为了满足用户不断增长的对性能、服务、功能的要求，通讯设备的功率密度越来越高，许多高封装密度的芯片普遍用于核心骨干网络通讯设备中。随着封装密度的提高，芯片的热流密度迅速增大。研究表明芯片级的热流密度可高达100W/cm2，若不采取合理的散热措施，引起芯片内部温度过高，可能导致电支路或光支路出现误码、丢包、信号中断等问题，甚至烧坏芯片。为了保障通信质量和设备的长期正常使用，必须在系统设计过程中对设备进行散热分析。
研究数据表明，55%以上的电子设备在工作过程中，由于功率过高而使其热流密度急剧上升，造成设备温度升高，从而导致设备的故障频次增加，甚至造成损耗。过热问题已经成为了电子设备最主要的故障形式之一。
目前，电子元器件的功率要求越来越大、功能实现越来越复杂，但是元器件与箱体、壳体的体积却要求设计地越来越小、越来越紧凑，两个设计要求对相互的性能造成了制约。因此，如何能够在有限的设计空间内，合理的对电子设备进行布局，怎么样能有效地传递热量，让电子设备的散热效果达到最优，已经成了现代电子科技领域中一个非常重要的课题。
随着人们对通信设备的通信容量要求越来越高，其设备集成度和发热功率也越来越高，散热问题对设备可靠性的影响越来越凸显。为了保证设备和元器件的热可靠性，提高电子设备对温度剧烈变化的恶劣环境条件的适应能力，必须发展电子设备的热控制和热设计技术。
热控设计是根据任务要求以及系统在工作期间所要经受的内、外热负荷的状况，采取各种热控制措施来组织系统内、外的热交换过程，保证系统在整个运行期间所有的仪器设备的温度水平都保持在规定的范围之内。
通信机箱散热特性的研究与设计常用两种方法：实验和仿真分析。实验方法虽然具有准确度高的优点，但往往仅能确定设备表面和边界的温度，无法探测到设备内部的温度；另外，受限于具体的实验条件，设计前期也很难针对通信机箱设备进行热特性测试，这造成验证成本高、验证周期长的问题。仿真分析的方法一般采用数值计算法中的有限容积方法或有限元方法，对整个通信机箱进行充分密集的网格划分，从而准确模拟设备内部的三维温度场分布，便于热设计方案的评估与选择。而且，使用热仿真技术可以在设计中就对设备的热特性进行充分的研究与改进，避免了后期由于热问题造成的重复迭代设计，可以大大缩短设计的周期，降低设计成本。
因此，仿真模拟方法成为目前通信机箱散热设计中不可或缺的手段之一。

2. 典型场景与工况的仿真分析

某大功率机箱式交换机温度场模拟

以某高性能机箱式核心骨干网络交换机为分析对象，该机箱结构如下图所示：整机风道为左侧进风，后侧出风，风扇采用抽风形式；设备采用横插式机箱，配置2个主控插槽和12个业务模块插槽，机箱中间2个插槽为主控卡槽位，其余业务子卡可插在任意槽位。业务模块插槽支持万兆以太网光接口线卡、千兆以太网电接口线卡、千兆以太网光接口线卡三种类型线卡的混插，主控和各线卡通过背板互联。

3. ANSYS解决方案的特点

ANSYS ICEPAK电子热分析模块，包含仿真分析模块和前后处理模块，能够对芯片级、板级、系统级、环境级等全尺度的电子设备进行散热分析模拟。

3.1ANSYS Workbench仿真协同平台

ANSYS Workbench作为世界唯一一款协同仿真平台，旨在搭建基于网络的仿真工作统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。利用ANSYS Workbench环境，设计人员和分析专家、项目管理者等仿真业务相关的所有人员可以在统一的工作环境中高效协作。ANSYS Workbench特征如下：
a) 从建模、分析网格生成，直到结果评价，提供了统一的GUI界面；
b) 所涉及的几何和网格、分析结果数据可以在各个分析工具之间高效传递；
c) 所有的仿真数据可以实现集中管理的数据管理工具、自动网格生成器和优化工具；
d) 定制化，使工作效率进一步提升。

3.2. 多物理场仿真

ANSYS软件作为融结构、电磁、热、流体分析技术于一身的强大仿真系统，不但拥有为业界认可的强大的单场分析模块，而且由于出自同一家公司的模块，数据传输不存在瓶颈，各场之间的耦合分析能力是任何一家CAE技术提供商所不能企及的。

3.3完备的电子设备散热解决方案

ANSYS ICEPAK软件拥有最完备的电子散热行业解决方案。

通信机箱温度场分析

1. 概述

2. 典型场景与工况的仿真分析

某大功率机箱式交换机温度场模拟

3. ANSYS解决方案的特点

3.1ANSYS Workbench仿真协同平台

3.2. 多物理场仿真

3.3完备的电子设备散热解决方案

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