風扇散熱系統的控制電路可靠性分析

熱設計 2022-05-27

0引言

在云計算和移動互聯網技術普及的大背景下,數據流量的爆炸式的增長,交換機的端口速率?交換容量在不斷提高,已經進入40G?100G的時代?客戶對交換機的長期穩定運行?節能方面提出了更高的要求?作為交換機的風扇系統,必須將交換機內聚集的熱量及時帶走,使交換機不會出現過熱現象,延長交換機的使用壽命?風扇系統的可靠運行為交換機長期穩定運行提供了有力保證?

1風扇散熱系統控制電路組成以及工作原理

風扇系統作為交換機的一個子系統,主要由控制板和風扇組成(如圖1所示)?其中控制板可細分為接口部分?電源部分(為控制電路與風扇提供電源)?主控部分(MCU?風扇控制?轉速反饋)?其工作過程:控制板通過通信接口實現與主控板的信息交互及控制命令接收,并根據管理板的控制命令及風扇的實際轉速計算出風扇的控制參數,對風扇進行轉速調節控制?

風扇系統中的控制電路及風扇中的任何部分故障都會造成交換機運行產生的熱量無法及時帶走,系統溫度升高,嚴重時造成交換機客戶斷網?

2控制電路可靠性分析

失效模式與影響分析法(FailureModeandEffectsAnalysis,FMEA)是一種可靠性設計的重要方法?FMEA主要目的是發現?評價產品/過程中潛在的實效及其后果;找到能夠避免或減少潛在失效發生的措施并且不斷完善?

2.1FMEA定性分析

利用控制電路的組成原理,對其進行失效模式與影響分析(FMEA),定性分析控制電路的各種故障原因?模式?影響,并給出設計的改進措施,以保證在各種故障情況下都能滿足系統的散熱要求?

控制電路正常工作時,能夠根據環境和系統溫度調整風扇的轉速,已達到給系統散熱的目的?如果不能實現散熱功能,就認為是功能失效故障?

功能失效故障根據嚴酷程度可以分為I類?II類?III類?IV類?(1)I類:這種故障會導致主要功能受到嚴重影響;(2)II類:這種故障會導致系統主要功能受到影響或存在較大的故障隱患;(3)III類:系統次要功能散失或下降,須立即修理,但不影響系統主要功能實現的故障;(4)IV類:部分次要功能下降,不對功能實現造成影響?對控制電路各組成分進行FMEA分析,分析結果如表1所示?

2.2FMEA結論

嚴酷度為I?II類的潛在故障比較多,需要對電路設計上進行改進,以保證整機的散熱?其中接口連接器通過器件選型來改進?其他部分可以通過電路改進來提高可靠性?(1)單片機最小系統單片機?時鐘?電源?復位中的任何一個器件失效,將使整個控制電路無法正常工作?此時應該將控制部分隔離,讓風扇以最高轉速繼續工作?(2)控制電路一般控制多風扇,如果其中一個風扇發生短路,不能引起風扇盤掉電,影響控制電路及其他風扇工作?

3控制電路可靠性設計

風扇的具體類型及數量通過熱仿真確定?本設計選用四線風扇,額定電壓為12V?額定電流為3.6A?最高轉速為6000r/min?當風速PWM控制線為高電平時,風扇處于全速轉的狀態?3.1單片機最小系統電路設計

MCU由一路3.3V電源供電,一個12M晶振提供時鐘源?當出現晶振?電源?復位信號?單片機等異常,會引起整個風扇盤通信失敗,使整個風扇盤失效?當風扇盤和管理板之間的通信失敗,管理板先拉低復位信號,讓風扇PWM控制信號一直輸出高電平,風扇全速轉動?管理板復位信號,通過三極管反向后,與MCU輸出的PWM控制信號取或后,輸出到風扇的PWM信號引腳(如圖2所示)?在正常情況下,管理板的復位信號為高,不會影響到MCU對風扇轉速的控制?