0引言

在云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及的大背景下,數(shù)據(jù)流量的爆炸式的增長(zhǎng),交換機(jī)的端口速率?交換容量在不斷提高,已經(jīng)進(jìn)入40G?100G的時(shí)代?客戶對(duì)交換機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行?節(jié)能方面提出了更高的要求?作為交換機(jī)的風(fēng)扇系統(tǒng),必須將交換機(jī)內(nèi)聚集的熱量及時(shí)帶走,使交換機(jī)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象,延長(zhǎng)交換機(jī)的使用壽命?風(fēng)扇系統(tǒng)的可靠運(yùn)行為交換機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保證?

1風(fēng)扇散熱系統(tǒng)控制電路組成以及工作原理

風(fēng)扇系統(tǒng)作為交換機(jī)的一個(gè)子系統(tǒng),主要由控制板和風(fēng)扇組成(如圖1所示)?其中控制板可細(xì)分為接口部分?電源部分(為控制電路與風(fēng)扇提供電源)?主控部分(MCU?風(fēng)扇控制?轉(zhuǎn)速反饋)?其工作過(guò)程:控制板通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)與主控板的信息交互及控制命令接收,并根據(jù)管理板的控制命令及風(fēng)扇的實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算出風(fēng)扇的控制參數(shù),對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制?

風(fēng)扇系統(tǒng)中的控制電路及風(fēng)扇中的任何部分故障都會(huì)造成交換機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)帶走,系統(tǒng)溫度升高,嚴(yán)重時(shí)造成交換機(jī)客戶斷網(wǎng)?

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(shè)計(jì)的重要方法?FMEA主要目的是發(fā)現(xiàn)?評(píng)價(jià)產(chǎn)品/過(guò)程中潛在的實(shí)效及其后果;找到能夠避免或減少潛在失效發(fā)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(duì)其進(jìn)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(shè)計(jì)的改進(jìn)措施,以保證在各種故障情況下都能滿足系統(tǒng)的散熱要求?

控制電路正常工作時(shí),能夠根據(jù)環(huán)境和系統(tǒng)溫度調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,已達(dá)到給系統(tǒng)散熱的目的?如果不能實(shí)現(xiàn)散熱功能,就認(rèn)為是功能失效故障?

功能失效故障根據(jù)嚴(yán)酷程度可以分為I類?II類?III類?IV類?(1)I類:這種故障會(huì)導(dǎo)致主要功能受到嚴(yán)重影響;(2)II類:這種故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)主要功能受到影響或存在較大的故障隱患;(3)III類:系統(tǒng)次要功能散失或下降,須立即修理,但不影響系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)的故障;(4)IV類:部分次要功能下降,不對(duì)功能實(shí)現(xiàn)造成影響?對(duì)控制電路各組成分進(jìn)行FMEA分析,分析結(jié)果如表1所示?

2.2FMEA結(jié)論

嚴(yán)酷度為I?II類的潛在故障比較多,需要對(duì)電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn),以保證整機(jī)的散熱?其中接口連接器通過(guò)器件選型來(lái)改進(jìn)?其他部分可以通過(guò)電路改進(jìn)來(lái)提高可靠性?(1)單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)?時(shí)鐘?電源?復(fù)位中的任何一個(gè)器件失效,將使整個(gè)控制電路無(wú)法正常工作?此時(shí)應(yīng)該將控制部分隔離,讓風(fēng)扇以最高轉(zhuǎn)速繼續(xù)工作?(2)控制電路一般控制多風(fēng)扇,如果其中一個(gè)風(fēng)扇發(fā)生短路,不能引起風(fēng)扇盤掉電,影響控制電路及其他風(fēng)扇工作?

3控制電路可靠性設(shè)計(jì)

風(fēng)扇的具體類型及數(shù)量通過(guò)熱仿真確定?本設(shè)計(jì)選用四線風(fēng)扇,額定電壓為12V?額定電流為3.6A?最高轉(zhuǎn)速為6000r/min?當(dāng)風(fēng)速PWM控制線為高電平時(shí),風(fēng)扇處于全速轉(zhuǎn)的狀態(tài)?3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

MCU由一路3.3V電源供電,一個(gè)12M晶振提供時(shí)鐘源?當(dāng)出現(xiàn)晶振?電源?復(fù)位信號(hào)?單片機(jī)等異常,會(huì)引起整個(gè)風(fēng)扇盤通信失敗,使整個(gè)風(fēng)扇盤失效?當(dāng)風(fēng)扇盤和管理板之間的通信失敗,管理板先拉低復(fù)位信號(hào),讓風(fēng)扇PWM控制信號(hào)一直輸出高電平,風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動(dòng)?管理板復(fù)位信號(hào),通過(guò)三極管反向后,與MCU輸出的PWM控制信號(hào)取或后,輸出到風(fēng)扇的PWM信號(hào)引腳(如圖2所示)?在正常情況下,管理板的復(fù)位信號(hào)為高,不會(huì)影響到MCU對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制?

3.2風(fēng)扇供電電路設(shè)計(jì)

板上12V直接給風(fēng)扇供電,為了防止其中一個(gè)風(fēng)扇出現(xiàn)短路故障時(shí),造成整個(gè)風(fēng)扇盤掉電?每個(gè)風(fēng)扇的12V輸入端串接一個(gè)5A快熔斷保險(xiǎn)絲,在風(fēng)扇短路時(shí)保險(xiǎn)絲首先熔斷,把故障風(fēng)扇隔離(如圖3所示)?

4測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的效果,采用故障插入測(cè)試(FIT測(cè)試)來(lái)驗(yàn)證?根據(jù)前面FMEA的分析結(jié)果來(lái)構(gòu)造FIT測(cè)試用例,模擬控制電路上出現(xiàn)器件出現(xiàn)相應(yīng)失效模式,觀察這些失效是否對(duì)散熱系統(tǒng)產(chǎn)生影響?測(cè)試結(jié)果表明(如表2所示),經(jīng)過(guò)可靠性設(shè)計(jì)之后,可以保證在出現(xiàn)失效能夠讓風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),保證整機(jī)散熱?

5結(jié)語(yǔ)

利用失效模式與影響分析法(FMEA)對(duì)風(fēng)扇散熱系統(tǒng)控制電路的失效點(diǎn)進(jìn)行分析?針對(duì)造成高嚴(yán)酷等級(jí)的失效點(diǎn),給出了改進(jìn)設(shè)計(jì),能對(duì)失效點(diǎn)進(jìn)行隔離,讓風(fēng)扇散熱系統(tǒng)能帶故障運(yùn)行?最后通過(guò)故障插入(FIT)測(cè)試,證明改進(jìn)設(shè)計(jì)提高了電路的可靠性?

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