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    5G基站的散熱挑戰

    日期:2020年2月20日

    5G基站的散熱挑戰

     

    到2025年,通信行業將消耗全球20%的電力,而在移動通信網絡中,基站是耗電大戶,大約80%的能耗來自廣泛分布的基站。越加密集的基站意味著更高的能耗,這是5G網絡面臨的一大成本挑戰[1]。

     

     

     

    從能源結構上,耗電意味著成本更高,對環境污染的間接壓力較大。從熱設計角度看,則是基站發熱量增加,溫度控制的難度陡然上升。從上圖的實測數據來看,5G基站功耗達到了4G基站的2.5~4倍。上圖和下圖分別是兩家國內頂級通訊公司的實測結果(下圖還提示了5G AAU基站的尺寸、重量)。

     

     

    從事過通訊行業的工程師都知道,通訊基站通常安裝在樓頂的鐵架、野外的高處。體積、重量對設備的安裝便捷性至關重要。“巧合”的是,功耗、體積、重量都是熱設計中的核心設計邊界條件。

     

     

    基站安裝示意圖[2]

    從以往的設計習慣看,基站是典型的封閉式自然散熱設備(戶外應用,需要嚴格的防水防塵),熱量從元器件發出后,只有兩個去處:

    1、被內部器件吸收——熱量被轉化為內能,導致器件溫度升高;

    2、由于溫差出現,熱量從高溫物體轉移到低溫物體——當溫度穩定后,熱量轉移速率=熱量產生速率

    封閉式自然散熱產品,當溫度穩定后,所有熱量都會先傳到外殼,再由外殼傳導到空氣。熱量傳遞路徑如下:

    降低產品體積和重量,對這類產品的熱設計的需求就演變成在相同空間下盡可能提高換熱效率、降低傳熱熱阻。這里的傳熱熱阻又分為內部熱阻和外部熱阻。內部熱阻的降低,需要合理的芯片布局,讓熱源本身就更加靠近散熱殼體。這屬于硬件工程師和熱設計工程師的協同工作。從材料角度看,芯片和殼體之間需要施加導熱界面材料,5G基站可能會推動熱界面材料的極大提升,表現在如下幾個方面[3]:

    1、盡可能低的熱阻——需要更高導熱系數,更好的界面潤濕度;

    2、可靠性——基站應用于戶外復雜環境,遍布全球各地,溫度范圍達到-40C~55C,出故障后維護困難——極佳的熱穩定性,抗垂流,抗裂化

    3、使用性——5G基站的用量很大,多芯片共用機殼散熱,對于材料裝配自動化、裝配過程中產生的應力等有要求

    封閉式自然散熱產品溫度問題解決思路匯總[3]

     

    從外殼上看,功耗提高,需要設計更合理的翅片形式,以便匹配基站的高功耗。材質層面,需要密度更低、導熱更好、抗腐蝕性強的材料。吹脹板在基站中的應用就是基于其高導熱、低密度特征。由于低密度和高導熱屬性,兩相流產品在基站中的應用會越來越廣。半固態壓鑄等工藝的興起,也促進了壓鑄機殼材料導熱系數的提升。

    典型兩相流傳熱部件[3]

     

    自然散熱的效率是受限的,隨著功耗墻的逼近,基站的風冷、液冷也在研究中。溫度控制良好時,不僅影響產品的可靠性,還會降低設備功耗。由漏電電流導致的靜態功耗會隨溫度的上升快速上升,而隨著芯片制程的演進,晶體管尺寸越來越小,漏電電流將越來越大。這意味著溫度對芯片功耗的影響也會越來越顯著。如果溫度控制不當,那產品功耗會增加,從而進一步升溫,造成產品熱循環惡化。

     

    轉載自:熱設計網 https://www.resheji.com/info/1580.html

    所屬類別: 行業新聞

    該資訊的關鍵詞為:5G 大功率 散熱器 

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