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工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的可靠性:溫度vs.運(yùn)動(dòng)部件
2006年12月15日 星期五 11:28 A.M.
通常的觀點(diǎn)認(rèn)為：在高溫的工業(yè)環(huán)境當(dāng)中，對諸如以太網(wǎng)交換機(jī)等電子設(shè)備采用自然對流冷卻（通過散熱器和其它被動(dòng)散熱手段）是顯而易見的選擇。用一位權(quán)威人士的話來說，無風(fēng)扇電子系統(tǒng)能夠在重要盒層級（box level）提供“固態(tài)系統(tǒng)固有的可靠性”。但是，通常的觀點(diǎn)也許是錯(cuò)誤的。
工業(yè)系統(tǒng)通常具有寬敞的外殼，被安裝在儀表盤上或是現(xiàn)場，有合理數(shù)量的自由流動(dòng)空氣環(huán)繞在系統(tǒng)周圍。而應(yīng)用在工業(yè)場合的部件高度密集的信息設(shè)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(jī)架安裝的盒式結(jié)構(gòu)的設(shè)備－例如那些架裝的以太網(wǎng)交換機(jī)－被設(shè)計(jì)的非常緊湊。當(dāng)空氣流通受到限制的時(shí)候，內(nèi)部的溫度就有可能升高，這樣就會(huì)導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)的應(yīng)用類型。對于以太網(wǎng)交換機(jī)來說外部條件非常重要，在只能對交換機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行非經(jīng)常的目視檢查的應(yīng)用當(dāng)中，可能需要強(qiáng)制密封的、自由對流冷卻設(shè)備。環(huán)境因素－例如灰塵、昆蟲侵入和潮濕－即使在裝備了空氣過濾器的情況下也能夠損
害風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)。同樣的，在微粒濃度很高區(qū)域（例如礦山）或是對風(fēng)扇噪音無法接受的區(qū)域（例如電影演播室）室內(nèi)安裝的交換機(jī)系統(tǒng)采用一種自由對流冷卻的密閉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)比較好。
當(dāng)極端的環(huán)境狀況不是應(yīng)用當(dāng)中的支配因素，而且電機(jī)的噪音對設(shè)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(tǒng)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(jī)進(jìn)行的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）計(jì)算，該計(jì)算采用了Bellcore可靠性預(yù)計(jì)程序（RPP），這是一種受到廣泛應(yīng)用的平均故障間隔時(shí)間預(yù)估方法。Bellcore可靠性預(yù)計(jì)程序（RPP）的基礎(chǔ)是系統(tǒng)部件參數(shù)，例如晶體管的數(shù)量、功率消耗和環(huán)境因素等。由于這個(gè)計(jì)算涉及了集成在各種交換機(jī)中的類似組件，因此總體上來說各家不同供應(yīng)商的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)該具有相類似的概況。
在30℃的環(huán)境溫度下，被動(dòng)冷卻式交換機(jī)的計(jì)算平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為10年，略微超過風(fēng)扇冷卻式交換機(jī)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(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）降低到了低于8年，而強(qiáng)制對流冷卻系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為大約7年。
但是MTBF計(jì)算方法是有缺陷的，這個(gè)計(jì)算的基礎(chǔ)是系統(tǒng)操作時(shí)所在的環(huán)境溫度。而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，各個(gè)組件都是在一個(gè)外殼內(nèi)部運(yùn)行的，里面比環(huán)境溫度熱。而且根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢的顯示，溫度是組件發(fā)生故障的因素之一。
對運(yùn)行溫度所進(jìn)行的測量表明：對于機(jī)架安裝的以太網(wǎng)交換機(jī)來說，采用自然對流冷卻方式時(shí)內(nèi)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(nèi)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(dāng)外殼內(nèi)部的運(yùn)行溫度超過85℃時(shí)，就會(huì)對設(shè)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(jù)以上給出的內(nèi)部溫度差數(shù)據(jù)，自然對流設(shè)計(jì)對于機(jī)架安裝式的交換機(jī)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(nèi)部運(yùn)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(qiáng)制對流系統(tǒng)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條曲線顯示了機(jī)架安裝式設(shè)計(jì)的交換機(jī)總體MTBF的計(jì)算結(jié)果，2條曲線分別顯示了在一定溫度范圍內(nèi)帶有強(qiáng)制對流系統(tǒng)和不帶強(qiáng)制對流系統(tǒng)的交換機(jī)的MTBF計(jì)算結(jié)果。在2條曲線之間的空間就是采用自然對流設(shè)計(jì)（頂部的那個(gè)曲線）和采用強(qiáng)制對流設(shè)計(jì)時(shí)電子部件可靠性的差別。垂直的棒圖表示了機(jī)架安裝式交換機(jī)運(yùn)行在環(huán)境溫度25℃的舒適房間內(nèi)時(shí)的內(nèi)部溫度計(jì)算結(jié)果。
對于強(qiáng)制對流設(shè)計(jì)（左邊的棒圖），內(nèi)部組件的運(yùn)行溫度與環(huán)境溫度之間的溫差有15℃，因此內(nèi)部組件的實(shí)際運(yùn)行溫度為40℃。覆蓋在曲線上的左邊的綠色小點(diǎn)顯示了電子組件在外殼內(nèi)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(jī)的預(yù)期可靠性數(shù)據(jù)：7.5年。對于采用自然對流冷卻方式的交換機(jī)（右邊的棒圖），內(nèi)部電子組件的運(yùn)行溫度比室溫高25℃，因此其外殼內(nèi)部的運(yùn)行溫度為65℃。自然對流冷卻設(shè)計(jì)的交換機(jī)的可靠性也從9.5年直線下降到5.5年。
灼熱的內(nèi)部
對封裝在一個(gè)盒子狀結(jié)構(gòu)里面的電子部件進(jìn)行冷卻是一個(gè)挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)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(tǒng)領(lǐng)域所有類型電子設(shè)備的單位面積電子產(chǎn)品熱負(fù)荷（瓦特/平方英尺）在過去的十年當(dāng)中已經(jīng)增加了超過10倍，而且還將繼續(xù)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(shè)備來改善較高操作溫度帶來的不利影響。減小波形因數(shù)、采用銅材料來獲得更好的導(dǎo)熱性能、采取更加先進(jìn)的散熱結(jié)構(gòu)（波浪狀結(jié)構(gòu)、薄片形結(jié)構(gòu)、micro-forged或者machined fin結(jié)構(gòu)）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(fù)荷。就像世間的任何事情一樣，冷卻內(nèi)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(jì)算發(fā)生機(jī)電故障的潛在可能性要有說服力得多。
關(guān)于強(qiáng)制對流設(shè)備會(huì)給工業(yè)系統(tǒng)帶來無法接受的不可靠性的觀念是非常流行的，以至于許多工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)供應(yīng)商紛紛自動(dòng)的把“沒有移動(dòng)部件”當(dāng)作默認(rèn)的解決方案。實(shí)際上更為合理的說法應(yīng)該是風(fēng)扇冷卻方式和被動(dòng)冷卻方式在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域各有其得天獨(dú)厚的應(yīng)用天地。
在“臟”的應(yīng)用環(huán)境當(dāng)中，為了達(dá)到令人滿意的可靠性程度必須采用密封盒結(jié)構(gòu)和自然對流結(jié)構(gòu)。在環(huán)境污染不是主要因素的應(yīng)用場合，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(yīng)用當(dāng)中，目前“顯而易見”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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