以太网交换机可靠性:温度vs.活动部件

人们普遍认为，在工业高温环境中，自由对流冷却(通过散热器和其他被动方式)是电子设备(如以太网交换机)的明显选择。用一位权威人士的话来说，无风扇电子系统在盒子层面上提供了“固态系统固有的可靠性”。然而，常识可能是错误的。

工业系统通常采用面板或现场安装，带有宽敞的外壳，可以提供合理数量的不受限制的空气来环绕系统。用于工业应用的高组件密度智能设备通常用于空间有限的工业控制中心。机架式机箱，如以太网交换机的外壳，设计得非常紧凑。当气流受限时，内部温度会升高，导致操作温度对平均故障间隔时间(MTBF)的影响与潜在的机电故障率一样大，甚至更大。

在为工业以太网交换机选择冷却技术时，最重要的考虑因素是交换机的应用。在以太网交换机的外部条件下，设备只有很少的目视检查，可能要求密封的、自由对流冷却的设备。环境因素——灰尘、昆虫渗透和潮湿——会损害风扇冷却系统，即使有空气过滤器。同样，在高颗粒物(矿井)或风扇噪音不可接受的地方(电影制片厂)，室内系统可能会受益于具有自由对流冷却的密封系统。

然而，当极端环境不是主要的应用问题，并且电机噪声将是设施环境噪声水平的次要贡献者时，风扇冷却系统可能提供更高的可靠性。

平均测试

最近对无源和风扇冷却的24端口以太网交换机的MTBF计算使用了Bellcore可靠性预测程序(RPP)，这是一种基于系统组件参数(如晶体管数量，功耗和环境因素)的广泛使用的MTBF预测器。由于计算涉及到所有交换机中包含的类似组件，因此跨供应商线的工业以太网交换机应该产生相同的总体概况。

环境温度为30℃的系统。

然而，MTBF的计算有一个潜在的缺陷:它们是基于系统运行的环境温度。实际上，这些组件是在一个更热的封装内运行的。并且，从数据趋势来看，温度是导致部件失效的一个因素。

工作温度测量表明，使用自由对流冷却的机架式以太网交换机的内部元件温度平均为40度。

考虑到内部温差，机架式开关的自由对流设计应该能够在环境温度高达45-50的环境中以正常的可靠性运行

图中的两条曲线显示了在一定温度范围内，有或没有强制对流装置的机架式开关设计中聚合组件的计算mtbf。两条曲线之间的距离是自由对流设计(顶线)与强制对流设计的电子元件可靠性差异。竖条显示在舒适的25°C房间环境中运行的机架式开关的计算内部温度。

对于强制对流设计(左侧竖条)，内部组件在房间环境温度15°C以上经历温度增量，因此在40°C下工作。左边的绿点表示风扇冷却开关的预期可靠性，当组件的真实内部热量覆盖在曲线上时:7.5年。对于自由对流开关(右侧竖条)，内部组件的温度要高出25°C，因此可以在65°C下工作。自由对流设计的可靠性从9.5年下降到5.5年。

热内饰

在封闭的盒子结构中冷却电子设备的挑战可能会变得更加苛刻。研究表明，每个产品足迹的热负荷(瓦/英尺)

工业工程师正在努力开发更高效的散热器，以改善更高工作温度的破坏性影响。缩小的形状因素，使用铜优越的导热性，和先进的散热器设计(卷曲，剥皮，微锻造或机械翅片结构)可以下沉更高的热负荷，尽管气流受限。尽管如此，在其他条件相同的情况下，有效冷却内部组件的能力将比计算出的机电故障可能性更能预测产品的可靠性。

强制对流设备在工业系统中引入不可接受的不可靠性的信念是如此普遍，以至于许多工业以太网交换机供应商将“无活动部件”作为自动首选解决方案。更合理的说法是，在工业环境中有风机冷却和被动冷却产品的合法场所。

在“肮脏”的环境中，密封盒和自由对流是实现可接受的可靠性所必需的。然而，当环境污染不是驱动因素时，风扇冷却可能是更好的选择。在越来越多的工业应用中，目前“显而易见”的选择——自由对流——可能并不那么明显。

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Madren担任GarrettCom总裁超过10年，是工业和电信应用以太网解决方案的创新者。他在计算机和网络领域拥有30多年的经验，持有北卡罗莱纳州立大学的BSEE学位和哈佛大学的MBA学位。

Bellcore可靠性预测程序(RPP)是一种广泛使用的基于系统组件参数(如晶体管数量、功耗和环境因素)的MTBF预测方法。有关详细信息，请点击这里。

作者信息

Frank Madren是GarrettCom公司的总裁，

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