到2025年，通信行業(yè)將消耗全球20%的電力，而在移動通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)面臨的一大成本挑戰(zhàn)[1]。

從能源結(jié)構(gòu)上，耗電意味著成本更高，對環(huán)境污染的間接壓力較大。從熱設(shè)計(jì)角度看，則是基站發(fā)熱量增加，溫度控制的難度陡然上升。從上圖的實(shí)測數(shù)據(jù)來看，5G基站功耗達(dá)到了4G基站的2.5~4倍。上圖和下圖分別是兩家國內(nèi)頂級通訊公司的實(shí)測結(jié)果（下圖還提示了5G AAU基站的尺寸、重量）。

從事過通訊行業(yè)的工程師都知道，通訊基站通常安裝在樓頂?shù)蔫F架、野外的高處。體積、重量對設(shè)備的安裝便捷性至關(guān)重要。“巧合”的是，功耗、體積、重量都是熱設(shè)計(jì)中的核心設(shè)計(jì)邊界條件。

基站安裝示意圖[2]

從以往的設(shè)計(jì)習(xí)慣看，基站是典型的封閉式自然散熱設(shè)備（戶外應(yīng)用，需要嚴(yán)格的防水防塵），熱量從元器件發(fā)出后，只有兩個去處：

1、被內(nèi)部器件吸收——熱量被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，導(dǎo)致器件溫度升高；

2、由于溫差出現(xiàn)，熱量從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體——當(dāng)溫度穩(wěn)定后，熱量轉(zhuǎn)移速率=熱量產(chǎn)生速率

封閉式自然散熱產(chǎn)品，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，所有熱量都會先傳到外殼，再由外殼傳導(dǎo)到空氣。熱量傳遞路徑如下：

降低產(chǎn)品體積和重量，對這類產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)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(nèi)部熱阻和外部熱阻。內(nèi)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(shè)計(jì)工程師的協(xié)同工作。從材料角度看，芯片和殼體之間需要施加導(dǎo)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(xiàn)在如下幾個方面[3]:

1、盡可能低的熱阻——需要更高導(dǎo)熱系數(shù)，更好的界面潤濕度；

2、可靠性——基站應(yīng)用于戶外復(fù)雜環(huán)境，遍布全球各地，溫度范圍達(dá)到-40C~55C，出故障后維護(hù)困難——極佳的熱穩(wěn)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(jī)殼散熱，對于材料裝配自動化、裝配過程中產(chǎn)生的應(yīng)力等有要求

封閉式自然散熱產(chǎn)品溫度問題解決思路匯總[3]

從外殼上看，功耗提高，需要設(shè)計(jì)更合理的翅片形式，以便匹配基站的高功耗。材質(zhì)層面，需要密度更低、導(dǎo)熱更好、抗腐蝕性強(qiáng)的材料。吹脹板在基站中的應(yīng)用就是基于其高導(dǎo)熱、低密度特征。由于低密度和高導(dǎo)熱屬性，兩相流產(chǎn)品在基站中的應(yīng)用會越來越廣。半固態(tài)壓鑄等工藝的興起，也促進(jìn)了壓鑄機(jī)殼材料導(dǎo)熱系數(shù)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(fēng)冷、液冷也在研究中。溫度控制良好時，不僅影響產(chǎn)品的可靠性，還會降低設(shè)備功耗。由漏電電流導(dǎo)致的靜態(tài)功耗會隨溫度的上升快速上升，而隨著芯片制程的演進(jìn)，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(dāng)，那產(chǎn)品功耗會增加，從而進(jìn)一步升溫，造成產(chǎn)品熱循環(huán)惡化。

[1]網(wǎng)優(yōu)雇傭軍.必須重視5G基站耗電問題.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1614035465392997155&wfr=spider&for=pc

[2]廣廈網(wǎng)絡(luò).http://www.gonn.com.cn/article/139.html

[3]陳繼良《從零開始學(xué)散熱》第四版.第十六章. 轉(zhuǎn)載請注明出處。

標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評論: