一、衡量設(shè)備可靠性的指標(biāo)

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。任何產(chǎn)品不論是機(jī)械、電子，還是機(jī)電一體化產(chǎn)品都有一定的可靠性，產(chǎn)品的可靠性與實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的維護(hù)有著極大的關(guān)系。

衡量可靠性的指標(biāo)很多，常見的有以下幾種：

1．可靠度R（t），即產(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，亦稱平均無故障時間MTBF(mean time between failure)；

2．平均維修時間MTTR是指產(chǎn)品從發(fā)現(xiàn)故障到恢復(fù)規(guī)定功能所需要的時間；

3．失效率λ（t），是指產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下使用到時刻t后，產(chǎn)品失效的概率。產(chǎn)品的可靠性變化一般都有一定的規(guī)律，其特征曲線形狀像浴盆，通常稱之為“浴盆曲線”。在實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)初期，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的錯誤、軟件不完善以及元器件篩選不夠等原因而造成早期失效率高；通過修正設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝、老化元器件、以及整機(jī)試驗(yàn)等，使產(chǎn)品進(jìn)入穩(wěn)定的偶然失效期；使用一般時間后，由于器件耗損、整機(jī)老化以及維護(hù)等原因，產(chǎn)品進(jìn)入了耗損失效期。這就是可靠性特征曲線呈“浴盆曲線”型的原因。衡量一個電子產(chǎn)品、尤其是工業(yè)類產(chǎn)品最常用的是MTBF，也就是平均無故障時間。

二、溫度和MTBF的關(guān)系

由于現(xiàn)代電子設(shè)備所用的電子元器件的密度越來越高，這將使元器件之間通過傳導(dǎo)、輻射和對流產(chǎn)生熱耦合。因此，熱應(yīng)力已經(jīng)成為影響電子元器件失效率的一個最重要的因素。對于某些電路來說，可靠性幾乎完全取決于熱環(huán)境。所以，為了達(dá)到預(yù)期的可靠性目的，必須將元器件的溫度降低到實(shí)際可以達(dá)到的低水平。有資料表明：環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命約降低1/2。這就是有名的“10℃法則”。

MTBF測試：目前國外廣泛采用Bellcore的RPP（Reliability Prediction Procedure）來測量設(shè)備的MTBF，這其中包括晶體管數(shù)量、功率衰減以及環(huán)境參數(shù)。我們分析其中用風(fēng)扇散熱的24口網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的檢測報(bào)告，在環(huán)境溫度為30℃，40℃，50℃時，無風(fēng)扇交換機(jī)和有風(fēng)扇交換機(jī)的測試結(jié)果為：

無風(fēng)扇散熱 　　有風(fēng)扇散熱

30℃ 　　10年 　　8年

40℃ 　　9.5年 　　7.5年

50℃ 　　8年 　　   7年

另外，我們通過TSC實(shí)驗(yàn)室的溫度測試中還發(fā)現(xiàn)了兩個結(jié)果：

1．如果不采用任何散熱措施，一臺24口的交換機(jī)（不含光口）正常工作4小時后，它的機(jī)內(nèi)溫度要比周圍的環(huán)境溫度高約40℃；而采用風(fēng)扇降溫的同樣的交換機(jī)的機(jī)內(nèi)溫度只比周圍的環(huán)境溫度高約15℃。

2．機(jī)內(nèi)溫度達(dá)到85℃時，實(shí)際上溫度已經(jīng)開始影響到了機(jī)內(nèi)主板很多芯片器件的壽命，也就是說，如果不采用很好的散熱措施，在外部環(huán)境溫度為45——50℃時，交換機(jī)的MTBF會大大下降。

由此可見，溫度對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的影響是非常大的，如果像商用交換機(jī)一樣采用風(fēng)扇降溫，能夠有效降低機(jī)內(nèi)溫度而延長設(shè)備的MTBF，但風(fēng)扇本身的壽命又非常有限（2.28年）（由SANYO FAN DATA SHEET 給出的數(shù)據(jù)）。

工業(yè)類設(shè)備不同于商用設(shè)備，往往是一開機(jī)就常年運(yùn)行，而且運(yùn)行的環(huán)境也往往較惡劣，沙塵、昆蟲、潮濕都會直接影響風(fēng)扇的運(yùn)行。一個質(zhì)量好的交換機(jī)，風(fēng)扇使用壽命一般在20000小時，風(fēng)扇到了年限以后，檢測并更換就變得非常重要。因?yàn)橹鲃由嵝越粨Q機(jī)在設(shè)計(jì)時散熱主要就是靠風(fēng)扇散熱，一旦風(fēng)扇失效而不及時更換，“10℃法則”將會起作用：機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度每提高10℃，元器件壽命就降低1/2。交換機(jī)的機(jī)內(nèi)積熱將會快速導(dǎo)致交換機(jī)性能的下降，直至交換機(jī)崩潰。因此，工業(yè)交換機(jī)的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也就是熱設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。

三、熱設(shè)計(jì)

正是由于過高溫度對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響是致命的，所以在設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品時，除了設(shè)備的元器件要選擇寬溫度范圍的工業(yè)級元器件外，更要充分重視設(shè)備的熱設(shè)計(jì)。

電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)主要包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù)，這里筆者主要討論工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的散熱技術(shù)和加裝散熱器技術(shù)。

（一）散熱應(yīng)用中常采用的方法

一種是傳導(dǎo)散熱方法，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料來制造傳熱元件，或減小接觸熱阻并盡量縮短熱路徑。

一種是對流散熱方式，對流散熱方式有自然對流散熱和強(qiáng)迫對流散熱兩種方法。自然對流散熱應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

設(shè)計(jì)印制板和元器件時必須留出多余空間；

安排元器件時，應(yīng)注意溫度場的合理分布；

充分重視應(yīng)用煙囪撥風(fēng)原理；

加大與對流介質(zhì)的接觸面積。

強(qiáng)迫對流散熱方式可采用風(fēng)機(jī)（如計(jì)算機(jī)上的風(fēng)扇）或雙輸入口推拉方式（如帶換熱器的推拉方式）。

第三種是利用熱輻射特性方式，可以采用加大發(fā)熱體表面的粗糙度、加大輻射體周圍的環(huán)境溫差，或加大輻射體表面的面積等方法。

（二）加裝散熱器

工業(yè)電子類設(shè)備在熱設(shè)計(jì)中，最常采用的方法是加裝散熱器，其目的是控制半導(dǎo)體的溫度，尤其是結(jié)溫Tj，使其低于半導(dǎo)體器件的結(jié)溫Tjmax，從而提高半導(dǎo)體器件的可靠性。半導(dǎo)體器件和散熱器安裝在一起工作時包含：半導(dǎo)體器件內(nèi)熱阻RTj、結(jié)溫Tj、殼溫Tc、散熱器溫度Tf、環(huán)境溫度Ta及半導(dǎo)體器件的使用功率Pc。

散熱器的熱阻RTf應(yīng)為：RTf=(RTj-Ta)/Pc-RTj-RTc

散熱器熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參數(shù)，Pc是設(shè)計(jì)要求的參數(shù)，RTc可以從熱設(shè)計(jì)專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。

自然冷卻散熱器的選擇

首先計(jì)算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即：

RT=(Tjmax-Ta)/Pc

RTf=R-RTj-RT。

算出RT和RTf之后，可根據(jù)RTf和Pc來選擇散熱器。選擇時，根據(jù)所選散熱RTf和Pc曲線，在橫坐標(biāo)上查出已知Pc，再查出與Pc對應(yīng)的散熱器的熱阻R'Tf。

按照R'Tf≤RTf的原則,選擇合理的散熱器即可。

2．強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的選擇

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器在選擇時應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速來選擇合適的散熱器。

3．散熱風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

普通商用交換機(jī)的風(fēng)扇，工作一直處于全速（Full SPD）狀態(tài)，除其造成電能浪費(fèi)、增大整機(jī)噪音外，還會增加不必要的電源發(fā)熱，機(jī)箱內(nèi)灰塵過多堆積等。更重要的是風(fēng)扇在全速狀態(tài)時其壽命約為2萬小時，也就是2.28年（由SANYO FAN DATA SHEET 給出的數(shù)據(jù)），2萬小時后風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會逐漸下降，給整機(jī)帶來不穩(wěn)定因素。但由于沒有監(jiān)控單元，這種隱患很難發(fā)現(xiàn)：例如當(dāng)交換機(jī)丟包率逐漸上升時，并不容易查到是由于風(fēng)扇老化轉(zhuǎn)速降低及灰塵堆積太厚導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)關(guān)鍵部件溫度升高所致。

工業(yè)交換機(jī)應(yīng)使用高速（High SPD）風(fēng)扇并帶有智能監(jiān)控電路，實(shí)時監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的運(yùn)行狀況，例如監(jiān)控機(jī)箱風(fēng)扇、主交換芯片溫度、機(jī)箱溫度，光收發(fā)器件溫度等,這也就是我們所說的“智能風(fēng)扇”。

交換機(jī)工作過程中智能監(jiān)控電路會根據(jù)被測元件的溫度或風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，給網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)散熱。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速主要與交換機(jī)負(fù)載和環(huán)境溫度有關(guān)。在環(huán)境溫度一定時，當(dāng)交換機(jī)數(shù)據(jù)負(fù)載減輕時，功耗減小，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動降低，當(dāng)交換機(jī)數(shù)據(jù)負(fù)載加重時，功耗加大，風(fēng)扇速轉(zhuǎn)速自動上升。在數(shù)據(jù)負(fù)載一定的情況下，當(dāng)交換機(jī)處在低溫環(huán)境時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動降低，處在高溫環(huán)境時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動升高。在高溫高負(fù)載情況下，風(fēng)扇可處在應(yīng)急高速（High SPD）狀態(tài)，比全速（Full SPD）狀態(tài)更能保證網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行。

4．智能風(fēng)扇控制器運(yùn)行特性

采用智能風(fēng)扇控制技術(shù)后可延長風(fēng)扇壽命，減少機(jī)內(nèi)灰塵堆積、降低風(fēng)扇噪聲，節(jié)約電量使用，保證系統(tǒng)有效工作。另外控制器不僅能對風(fēng)扇失效停轉(zhuǎn)、溫度超過警戒線提供報(bào)警，而且對于由于老化或風(fēng)道阻力異常增大、轉(zhuǎn)速低于正常值或監(jiān)測點(diǎn)溫度異常升高等前期隱患均能給出相應(yīng)的中英文語音提示，方便網(wǎng)絡(luò)管理人員將事故消滅在萌芽階段。

綜上所述，由于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)所處的環(huán)境的特殊性以及使用時的特殊性（不能停機(jī)），在對付高低溫，主要是高溫環(huán)境時采用的對策與普通交換機(jī)有很多不同的。

（1）對于較低功率情況，一般P≤10W時，盡量不采用風(fēng)扇散熱，而采用自然散熱，如果通過自然對流，或者增大外殼面積、外殼褶皺，或者采用導(dǎo)熱較好的型材,如鋁等。

（2）對于功率較大情況，P≥15W時,尤其是有多個光口，甚至是多個單模光口的情況下，不能靠自然散熱解決問題時，應(yīng)該采用主動散熱方式解決熱問題。而主動散熱方式目前主要是指加裝風(fēng)扇，但由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不能停機(jī)且要長期運(yùn)行的特殊性，風(fēng)扇的使用應(yīng)有如下考慮。

①風(fēng)扇不同于普通電子設(shè)備的風(fēng)扇，它應(yīng)是智能的，智能風(fēng)扇在使用壽命以及功能上與普通風(fēng)扇有質(zhì)的區(qū)別。

②智能風(fēng)扇應(yīng)設(shè)計(jì)為可以熱插撥的，也就是在系統(tǒng)不停機(jī)情況下，如果智能風(fēng)扇系統(tǒng)報(bào)警（工作壽命到期等）情況下，可以在線更換風(fēng)扇。采取了以上熱設(shè)計(jì)和散熱措施，就可以大大提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MTBF，延長其壽命，從而避開法則，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的元器件長期工作在一個“穩(wěn)定，舒適”的溫度環(huán)境中,這樣“10℃法則”就不起作用,這樣也就保證了自動化過程中通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。