一般設(shè)備設(shè)計上已經(jīng)考慮使得零部件在設(shè)計壽命內(nèi)工作處于浴盆曲線的底部，在設(shè)計范圍內(nèi)工作時溫度并不是設(shè)備發(fā)生故障的主要原因。設(shè)備損壞主要的原因常常來自于一些不可控制因素，使得工作環(huán)境超過設(shè)計能夠支持的極限溫度。從功能性能角度來看，溫度會影響數(shù)字邏輯器件的工作頻率，使得設(shè)計裕度被打破而導(dǎo)致功能異常；有的器件，例如恒溫晶體振蕩器（OCXO）內(nèi)部具有加熱恒溫槽，在外部溫度低于內(nèi)部溫度下才能起到恒溫的作用，當(dāng)溫度范圍超出標(biāo)準(zhǔn)時，時鐘保持性能可能受到嚴(yán)重影響。這些都還是可恢復(fù)的異常。在更惡劣的情況下，芯片的漏電流隨著溫度升高以指數(shù)方式增大，在額定溫度點附近功耗隨溫度快速增加，反過來帶動芯片的溫度進一步增加而導(dǎo)致熱失效；高溫下焊點、機械結(jié)構(gòu)可能由于蠕變而失去強度；PCB 板可能發(fā)生碳化、分層等失效[6]。

設(shè)備設(shè)計上更關(guān)注的是如何使得這些外部的異常更不容易發(fā)生，異常發(fā)生的時候系統(tǒng)如何自動保護，同時兼顧越來越精細(xì)的OPEX 優(yōu)化考慮。第一，對工作的環(huán)境提出了更明確的要求，根據(jù)實際的氣候、業(yè)務(wù)模型等條件，把設(shè)備的工作環(huán)境作為一個系統(tǒng)來進行指標(biāo)分配設(shè)計及綜合成本評估，而不是只關(guān)注設(shè)備本身；第二，當(dāng)服務(wù)質(zhì)量許可的情況下，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時，系統(tǒng)通過自動降低負(fù)荷，甚至局部斷電的方式進行自我保護，在異常解除時恢復(fù)工作，增強實際的可用性和可靠性。

隨著多年的擴容、2G 向3G 換代以及多網(wǎng)多制式的共存，單個站點的容量密度也遠(yuǎn)高于過去。沒有重新設(shè)計的機房或方艙，可能對設(shè)備的工作環(huán)境帶來較大的影響。文獻[7] 給出了機房換氣設(shè)計的要求。如果機房達不到要求，則會導(dǎo)致設(shè)備過溫。在實際應(yīng)用中，因為空調(diào)設(shè)備被盜、損壞，通風(fēng)裝置損壞或者過濾網(wǎng)被堵塞等情況經(jīng)常出現(xiàn)。有的站點建設(shè)時間較早，容量很低，經(jīng)過長期運行通風(fēng)設(shè)施存在問題。存在問題的設(shè)施如圖4 所示。當(dāng)進行更換擴容后，這樣的站點經(jīng)常頻繁出現(xiàn)高溫告警。

圖4 機房空調(diào)被盜損、封閉空間密集 安裝等，帶來設(shè)備散熱問題

設(shè)備散熱設(shè)計通過仿真、測試驗證的方法在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛使用。通信設(shè)備內(nèi)部相對環(huán)境均存在一定的溫升，基本不存在除設(shè)備本身發(fā)熱之外的其他熱負(fù)荷，所產(chǎn)生的熱量基本屬于顯熱，主要通過強制對流進行散熱，這樣使得我們在考慮散熱的計算時候相對較為簡單。在保持對流空氣溫升一定的情況下，單位功耗需要的空氣流量是一定的。這個是設(shè)備設(shè)計的物理限制，無法突破。散熱需要的空氣體積可用如下公式計算：L = Qs/（Cp×ρ×ΔT），其中L 為空氣的體積，Qs 為顯熱，Cp 為空氣的平均比定壓熱容，在設(shè)備的工作范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是一個常量，ρ 為空氣的比重。假設(shè)設(shè)備設(shè)計最高工作環(huán)境溫度為55℃ ，允許出風(fēng)口空氣溫度為65℃ ，溫升10℃ ，系統(tǒng)熱負(fù)荷為700W，則系統(tǒng)一個小時需要的風(fēng)量約為200 m2。

這只是一個指導(dǎo)性的結(jié)果，不能替代系統(tǒng)內(nèi)部的熱設(shè)計，但是綜合考慮設(shè)備風(fēng)速、通風(fēng)口面積等設(shè)計，如果不能達到這樣的風(fēng)量，則只能降低設(shè)備的熱負(fù)荷，增加允許的系統(tǒng)溫升，或者采用其他補充的散熱方式來滿足散熱要求。 在高海拔區(qū)域，因為氣壓下降，風(fēng)冷的效果會受到進一步的影響。但是高原地區(qū)一般也不會出現(xiàn)高溫等環(huán)境，設(shè)備的散熱環(huán)境并不會將最差因素疊加。在整個熱系統(tǒng)設(shè)計中，可以根據(jù)實際情況，做出成本優(yōu)化又能保證可靠性的設(shè)計。

綜上所述，散熱的設(shè)計不僅僅涉及到器件的可靠性，而是要考慮整個系統(tǒng)的工作模式以及降低CAPEX、OPEX 的需求，結(jié)合設(shè)備外運行環(huán)境如噪聲要求等協(xié)同解決，在各種相互矛盾的限定因素中平衡優(yōu)化。在空間受限、集成密度高、空間局限的情況下，噪聲和風(fēng)扇的耗電相對就會較大，如果希望低噪音，就需要加大通風(fēng)口的面積，降低風(fēng)速，或者控制設(shè)備內(nèi)處理功耗，降低集成密度。對于環(huán)境溫度很高，甚至考慮采用壓縮機等制冷設(shè)備散熱，但是也可能會帶來更高的能耗和噪音，同時壓縮機熱端同樣也需要考慮如何散熱。

2.2 灰塵、油煙

灰塵、油煙對設(shè)備最主要的影響體現(xiàn)在散熱上。灰塵會堵塞防塵網(wǎng)或空氣過濾設(shè)備，附著在散熱器上的灰塵，還會直接影響器件散熱。灰塵還會帶來其他一些影響，例如在連接器上堆積的灰塵，可能影響到新插入組件的連接可靠性。一般情況下，連接器設(shè)計的滑動行程和摩擦力已經(jīng)考慮了插入過程推開灰塵，但是偶發(fā)的大顆粒灰塵堆積存在隱患。中興通訊軟基站設(shè)備采用了連接器保護一體式假單板設(shè)計，經(jīng)過多種試驗分析，能夠有效防止這樣的問題發(fā)生，同時還兼顧平衡風(fēng)阻的作用。

根據(jù)中國大氣監(jiān)測的情況，很多城市地區(qū)總懸浮顆粒物（TSP）平均保持在2 級，即0.2 mg/m3 的水平上[8-10]。新聞報道顯示在2006 年4 月沙塵暴天氣下，北京TSP 達到0.35 mg/m3，峰值達到2 mg/m3。按照多地區(qū)平均水平0.2 mg/m3 來算，根據(jù)上面散熱能力的計算，700 W 系統(tǒng)散熱每小時氣流中所包含的顆粒物約為0.04 g，每年通過系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的懸浮顆粒物約為350 g。如果對空氣過濾，這些灰塵會使得系統(tǒng)的維護周期大大縮短，維護工作量以及OPEX 上升。實際上，如果不過濾，大部分顆粒物會直接穿過系統(tǒng)，只有一小部分會在系統(tǒng)內(nèi)，主要在氣流受到阻礙的區(qū)域堆積，例如連接器。大量的分析認(rèn)為，這樣的顆粒灰塵對系統(tǒng)可靠性的影響并不大，系統(tǒng)防塵設(shè)計上，應(yīng)該讓這樣的灰塵無障礙的穿過系統(tǒng)。

在多個現(xiàn)場采集的灰塵分析中，很多灰塵呈現(xiàn)絮狀、纖維狀，來源可能是植物（如楊樹、柳樹飄絮）、摩擦脫落的衣物纖維、植物焚燒產(chǎn)生的飄浮物等，這些纖維狀灰塵吸附在空氣過濾設(shè)備上，積累后就會增加系統(tǒng)風(fēng)阻，影響系統(tǒng)散熱，同時，隨著空氣過濾系統(tǒng)的網(wǎng)孔堵塞，更小顆粒的灰塵會被過濾，系統(tǒng)堵塞速度變快。因為氣流摩擦產(chǎn)生靜電的關(guān)系，絮狀及顆粒狀灰塵也會吸附在包括風(fēng)扇扇葉、單板上，部分影響到系統(tǒng)的散熱（如圖5、圖6 所示）。在這種環(huán)境條件下，要通過過濾、隔離等手段，盡量避免灰塵進入設(shè)備，在防護設(shè)施上，也需要考慮增加通風(fēng)面積、定期除塵等方式，保證整個環(huán)境的散熱通暢。

圖5 某地惡劣環(huán)境工作2 個月的接入網(wǎng)設(shè)備防塵網(wǎng)被沙塵堵塞

圖6 潮濕環(huán)境下防塵網(wǎng)灰塵結(jié)塊黏附

灰塵中存在的鹽類會吸收空氣中的水分引起腐蝕。如果現(xiàn)場存在高濕度、甚至油煙，如老式建筑居民樓道、地下車庫、農(nóng)村民房等，灰塵會更容易黏附在設(shè)備上。在個別地方，甚至出現(xiàn)過設(shè)備防水百葉窗開口以及通風(fēng)孔全部被灰塵及油煙混和物堵塞的現(xiàn)象。在這種場合下，往往結(jié)合腐蝕危害，需要整體考慮，采用例如熱交換器柜等防護設(shè)備，在存在難以清理的油煙等環(huán)境條件下，應(yīng)盡量避免安裝設(shè)備，如不得不安裝，應(yīng)盡量采用密閉型的自然散熱設(shè)備。

工業(yè)上對灰塵的處理有很多經(jīng)驗，包括慣性除塵、噴淋、過濾、靜電吸附等多種方式得到應(yīng)用[11]。對于通信設(shè)備，灰塵沒有工業(yè)環(huán)境惡劣，而能夠提供的動力、空間都非常有限；設(shè)備分散安裝在各個站點，維護周期長甚至希望能夠免維護，同時不允許出現(xiàn)高噪音、強烈振動。可以采用的主要就是慣性除塵、過濾等方法，減少一部分進入設(shè)備的灰塵。

從上面的分析可以看出，對于系統(tǒng)的防塵設(shè)計，也需要結(jié)合實際環(huán)境因素以及降低CAPEX 和OPEX 的需求。對很多室內(nèi)應(yīng)用，可以允許灰塵直接進入和穿過設(shè)備，減少維護開銷；對于部分惡劣環(huán)境，考慮增加過濾裝置，但需要考慮裝置的容塵能力以及維護開銷；對于部分運營商愿意進行設(shè)備維護，不希望灰塵進入設(shè)備的，可以使用防塵網(wǎng)；對于存在腐蝕性物質(zhì)等的環(huán)境，要考慮采用內(nèi)外環(huán)境隔離的設(shè)備。

2.3 濕度和腐蝕

從功能和性能角度，濕度和溫度一起影響到空氣和板材的介電常數(shù)，有可能減少高速設(shè)計的裕度，引發(fā)設(shè)備誤碼率增加等異常。從設(shè)備可靠性來看，濕度會加速腐蝕的發(fā)生，使得灰塵、有害氣體等對設(shè)備的損害加劇。對于部分工藝不良的器件，空氣中的水汽可能帶來破壞性的后果。例如當(dāng)半導(dǎo)體芯片鈍化層不良時，在潮濕空氣中可能發(fā)生內(nèi)部分層，通過非偏置的高度加速應(yīng)力測試（uHAST）試驗可以識別此類工藝缺陷；密封不良的電阻器可能因為空氣中含硫，發(fā)生硫化而損壞，需要通過選型規(guī)避。

一般認(rèn)為，金屬在潔凈大氣中，在相對濕度小于60%~70% 的干燥大氣中，發(fā)生腐蝕的速度非常慢，當(dāng)相對濕度大于60%~70%時，腐蝕速度大大加快。如果空氣中存在H2S、SO2 等氣體時，腐蝕速度也會加快。臨界濕度隨著空氣成分、金屬成分不同而有差異，積塵中的粒子也會增加吸附而導(dǎo)致腐蝕速度增加。但是總體上可以認(rèn)為，通過控制使相對濕度小于60%，可以防止大部分大氣腐蝕的發(fā)生[12]。

控制濕度的一個重要手段就是控制溫度。設(shè)備中空氣被加熱時主要是顯熱增加，飽和水氣壓增大，絕對水氣壓并沒有變化，導(dǎo)致空氣的相對濕度降低。假設(shè)設(shè)備入口處的空氣濕度接近飽和，設(shè)備內(nèi)空氣溫升達到10 度左右，即可以使得空氣相對濕度降低到60%以下，避免腐蝕的發(fā)生。這個方法存在局限性：第一，為了保證低濕度，對空氣進行加熱，使得設(shè)備工作的溫度升高，對于需要高溫運行的設(shè)備，相當(dāng)于惡化了設(shè)備的工作溫度環(huán)境；第二，空氣在設(shè)備中是逐漸被加熱的，在進風(fēng)口附近，濕度較高，灰塵堆積也較多，更容易發(fā)生腐蝕。