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产品热设计解析——户外通讯设备

陈继良 Leon Chen

2年前浏览5369

射频拉远单元RRU（Radio Remote Unit）是一种典型的在户外使用的、要求防水防尘等级极高的通讯产品（通常要求IP65或更高）,5G之后，基站的集成度更高，RRU通常和天线集成到了一起，称为AAU(Active Antenna Unit)。如下图所示的RRU随处可见。

图16-8 RRU（左）和AAU（右）示意图

本书多次提及，分析产品应用场景和使用特点是确定散热方案的第一步。RRU的使用环境与手机、平板电脑大不相同。可以概要为如下两点：

(1)大多数安装于户外空旷处：热设计方案必须考虑太阳辐射的影响。RRU的表面通常喷涂对太阳辐射吸收率很低的涂料，同时这种材料又可以保持较高的红外发射率。由于对可见光吸收率低，因此大多数RRU的表面颜色偏浅，最常见的就是浅灰色。为了进一步减弱太阳辐射，有些场景，RRU甚至会设计遮阳罩。

图16-9 户外自然散热设备上方的遮阳罩

图16-10 安装于高塔上的RRU

(2）RRU的覆盖范围极广，经常被安装于高塔、深山等施工难度大的地方：设备尺寸和重量越小越好，产品散热方案越稳定可靠越好。这些要求对产品的结构形态、结构件材质等都施加了限制。

绝大多数的电子产品中，单板和元器件的重量和所占空间其实并不大，而为保证产品温度安全性而施加的散热器、风扇等部件却体积庞大，重量占比也高。RRU中，外壳占重可达50%~60%。从系统热设计的角度看，降低产品尺寸和重量需要从两个方面着手：

a）尽可能在有限的尺寸内实现更大的散热面积；

b）散热物料选择密度低、传热效果好的材质。

a）思路导致的结果是绝大多数RRU类产品外壳直接设计成齿状。如上图所示的RRU外壳均为齿状。b）则间接导致RRU的外壳通常采用压铸铝合金。随着半固态压铸技术的日渐成熟，导热性能更好的镁铝合金也开始批量应用。甚至有厂家已经开始使用内嵌PCI（phase change inhibition，相变抑制）板的散热齿来减小RRU重量。除此之外，RRU内部也应当采用各种手段降低传导热阻，如使用高导热效率的导热界面材料，外壳内嵌热管，提高PCB铺铜量和铜层排布方式等，以在最小的空间内实现最大的散热能力。

图16-11 不同齿形的基站——增强对流，降低热级联^[1][2]

由于产品安装到一些难以维护之处（如山顶，偏远的乡村等），且其出现故障会直接造成通讯中断，后果严重，因此散热方案必须足够稳定可靠。自然散热虽然散热能力较差，但没有运动部件，可靠性最高，故障率最低。这是大多数RRU厂家长期采用自然散热设计方案的主要原因之一。

运行于户外，属于完全无温控的场所：防水防尘，可以在极大的环境温湿度范围内正常运行。多数RRU的产品防护等级要做到IP65以上，运行温度在-40℃~55℃范围内。内部导热材料的选择，测试环境的设定都需要严格注意。对于确定会在极低温度下使用的RRU，内部往往还需要装配加热片来保证关键元器件的正常启动。防水防尘的要求，则使得RRU外部不能有开孔。

我将RRU或AAU及类似户外自然散热产品的热设计需求和应对措施，以及这些应对措施背后参考的热设计依据在本书中的位置总结如下表：

表16-5 户外封闭式自然散热产品散热设计思路

产品特征	应对措施	详细解释这些方法的章节
安装环境复杂，有深山、塔尖场景需求，产品尺寸、重量有严格要求	1.相同体积空间下尽可能增大散热面积； 2.外壳设计成散热齿状，充分优化齿向，齿间距，齿高，齿厚等参数，利用烟囱效应等传热学现象设计强化散热的结构； 3.使用高导热效率的导热界面材料，如碳纤维导热垫片、高导热系数（>6W/m.K）的导热凝胶等； 4.发热元器件通过界面材料直触外壳； 5.外壳内嵌热管、VC、吹胀板等两相流结构件降低扩散热阻； 6. 外壳翅片内嵌吹胀板； 7.使用高导热系数、低密度的金属材质制作壳体	d, e, f, g：第六章，第七章，第九章
户外安装，阳光直射	1.使用太阳辐射吸收率低，红外发射率高的表面处理方法； 2.必要时安装遮阳罩； 3.安装时避免上方有障碍物遮挡风道； 4.多台设备集中安放时，避免相互之间的热级联影响	a， b：第二章
安装位置偏远，维护成本高	1.保持产品散热表现稳定可靠： 2.尽可能采用自然散热； 3.严格筛选导热材料、热管等失效概率高的散热部件； 4.适当内置温感，实现在线故障监测，降低人工现场检修频率	d，i：第四章，第七章，第九章，第十五章
户外运行，可能出现的环境复杂多样	1.机身避免开孔，结合处施加密封处理实现防水防尘功能，确保这些设计对散热无影响或影响可接受； 2.极低温下，根据需求设计加热片，保证设备正常冷启动；热测试方案设计严格参考环境要求，选择最恶劣的工况进行校验，确保散热满足要求。	无
空间限制	1.优化内部器件布局，避免热量集中； 2.必要时进行冷热隔离，温度要求严格的器件置于散热良好的区域； 3.优先选择功耗低、热阻低、更耐温的元器件； 4.视情况施加热过孔，解决结板热阻小的元器件的散热问题； 5.提高PCB铺铜量和铜层排布方式，利用PCB约束热量转移方位。	h，k：第五章

-END-

参考文献

[1] 张炯.4G/5G 融合，促进网络演进发展.https://www.zte.com.cn

[2] 中兴通讯.中兴通讯5G高频基站产品荣获2017中国设计红星奖.

https://www.sohu.com/a/212891169_171073

全文摘自陈继良.《从零开始学散热》.2020. 第16章第1部分第3节.

本文所列参考文献仅为本小节引用到的文献

作者简介：陈继良，仿真秀专栏作者，文章节选自机械工业出版社发行，陈继良老师编著的《从零开始学散热》，点击可订购。

理论科普通信电磁基础换热散热热设计

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首次发布时间：2021-09-28

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