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人熱了可以吹空調,5G基站“熱”了怎么辦?

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來源:中國廣電5G,導熱邦


夏天滾燙的熱浪毫不留情地“普渡”眾生,讓人們只想一天24小時抱著空調度日,對冷氣難以企及的室外望而生畏。不過你吹著空調刷手機時,有沒有想過一個問題:平時手機連續大功率運作幾個小時就會發熱燙手,可那些戶外基站要為我們24小時提供網絡信號,暴露在太陽的“毒打”下,它們會熱成什么樣?它們難道也像人和手機,可以舒舒服服地窩在空調房里?又或者,它們會不會像人一樣,一“怒”之下熱到想要“罷工”呢?


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說到這,咱們就用簡單的初高中物理知識,來好好了解一下5G基站的散熱難題,以及當前可行的基站降溫技術。能量守恒定律告訴我們,所有的能量都不會憑空產生或消失。電能和熱能可以互相轉化,比如初中所學的焦耳定律:Q=I2Rt,就是描述了電流通過電阻時產生的熱效應,我們懶人必備的電飯鍋、電烤箱和烘干機也利用了這一原理。


隨著信息時代的來臨,人類對大數據和云計算的需求越來越強,對網速的要求也越來越高,于是移動通信技術、材料技術等一代代升級,智能設備的性能不斷提升。但正如強調過的能量守恒,高性能不會憑空而來,它需要大量的能量維持,我們目前生活最常用的就是電能;而一旦電流過大,設備溫度就會升高,會縮短設備使用壽命,嚴重時甚至會直接燒壞設備。小伙伴想必都有所體會:手機放著不玩可以待機好幾天,可一旦開始玩游戲、看電影,不僅電量降得快,而且手機也會發燙,輕則視頻卡頓,重則手機宕機。


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當人們窩在冰涼的空調房里“嗖嗖”上網時,可以想象5G基站卻在太陽底下被曬得“大腦嗡嗡”的情景。當龐大的數據流量需求如海嘯般涌來,疊加對傳輸速率的高要求,以及5G使用的多天線技術使得計算功耗大幅增加,這就意味著5G基站會消耗大量的電量,換言之,也就會產生大量的熱量。如果無法及時散熱,不僅會降低基站工作效率,還容易因超負荷運轉而造成基站設備損壞、宕機斷網等現象。同時,出于信號傳輸要求,5G基站也往往建在空曠的山頂、野外或者樓頂,可謂直接暴露在太陽直射中。因此每當夏季,5G基站“內外受熱”,散熱難也越發嚴重。


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這時你可能會說,簡單,我們給它物理降溫不就行了嗎?既然解決手機、電腦發熱可以外接風扇或者用冰袋冰一冰,在5G基站里安裝大功率空調也不是難事吧?空調降溫確實是常用的一項辦法,不過這僅僅是治標不治本,并且還多出了一項電力支出,讓基站耗電問題越發嚴重。有數據表明,5G單基站功耗是4G單基站的2.5-4倍,甚至在幾年前,還曾有媒體報道了這樣一則新聞:因為耗電量太大,高昂電費難以承受,某地曾在夜間部分時段休眠關閉部分5G基站。


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比普通的空調降溫更高級一些的,是給基站用“液冷”。這是一種在航空航天領域常用的技術,主要是利用裝有冷卻液的散熱管去直接冷卻電子設備。與“吹冷風”的空調相比,首先輸送液體比輸送風更加容易,并且我們知道液體可以存儲和運輸熱量,這些吸收了電熱的液體溫度升高后,可以用于供暖也可以將熱量散給室外;而當失去熱量、溫度降低后,它們還可以重復使用,十分節能環保。此外,液冷也比風冷更靠近熱源,能做到精準冷卻。


以上“風冷”和“液冷”都是出于“降低表面溫度”的考慮,但我們也可以從“加快散熱”這一角度出發,使用更能向外界傳遞熱量的器件。目前,5G基站主流使用的散熱器件都是“半固態壓鑄件+吹脹板”,它們不僅導熱率高、散熱速度快,還具備重量輕、外形美觀等優勢,能幫助5G基站減輕自身重量,可謂“強強聯合”。


5G基站引入大規模天線技術,AAU的體積、重量、散熱都受到挑戰。如何在三者之間找到平衡點,做好AAU設計,需要采用多種新技術、新工藝、新材料結合。在聊我們今日即將展開的AAU散熱設計之前,先看看AAU的結構。

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接下來看看AAU的散熱方案都有哪些?AAU傳統散熱方案:1、降低芯片與外殼的溫差,采用高導熱界面材料和熱管;2、降低外殼表面溫度,增加設備的外殼體積,加大表面積;3、改善外殼溫度均勻性,采用鑄鋁加厚外殼。


在實際產品中,方案 1 的改善效果有限,當外殼被太陽光暴曬時,其表面溫度可高達60℃至90℃。而很多芯片的Tc要求在90℃以內,此時將無法滿足散熱要求;對于方案 2 和方案 3 ,通常產品的外觀尺寸和產品重量有一定的限制,不能隨意的增大。因此5G散熱將是一個很大的挑戰,需要更有效的散熱設計。


AAU基站新的散熱方案

基站內部發熱模塊產生的熱量,會使密閉腔體內的溫度升高,當溫度一致后,再傳至外殼,通過空氣對流散熱。AAU散熱可以從新材料,新結構設計及新的散熱方案入手。

(1)新的散熱方案,液冷散熱:散熱片連接的導熱管下方有特殊的散熱液體,其沸點比較低,吸收熱量后會蒸發為氣體到頂部,散發熱量后重新液化,回流至原來的地方,從而提高散熱效率。

(2)新材料:AAU除了內部使用TIM、散熱材料及方案外,半固態壓鑄件具有重量輕和散熱性能好的優勢,吹脹板具有熱傳導效率高、制冷速度快的優勢,結合半固態壓鑄件和吹脹板的散熱器件有望大幅提升5G基站散熱價值量。

(3新的結構設計:另外廠商在AAU散熱片結構上通過結構創新設計優化整機體積重量,引入新工藝,在整機結構上實現了輕量化。例如傳統設計的散熱齒,下部熱量上部擴散,造成散熱齒結構上部溫度高,降低散熱效率,成為散熱瓶頸。中興通訊獨特的V齒結構設計,改進散熱氣流,使冷空氣正面進兩側出,避免熱級聯,散熱提升20%,成為業界首創。


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來源:公開資料


最后,前段時間一度成為各大平臺頭條的超導材料LK99如果能得到證實,那么就可以一勞永逸解決5G基站乃至所有電子設備的散熱問題。從理論來說,電流通過超導體材料時,不會損失任何電能且不會產生任何熱量,因此它是人們理想中的集高效利用與節能環保于一身的完美材料。然而受限于技術難題,雖然有許多構想和設計成果發表于權威學術雜志,但距離“超導二極管”的大規模應用,我們還有很長一段路要走。所以,每當你透過窗戶望向陽光灼熱的室外,請不要忘記感謝兢兢業業戶外“站崗”的5G基站——正是它們日復一日忍耐著高溫,才有了我們在空調房中如水般絲滑的網上沖浪。

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