發(fā)射裝置電路盒散熱技術(shù)及其應(yīng)用

王 團

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽，471009）

1 引言

導(dǎo)彈發(fā)射裝置是連接飛機航電武器系統(tǒng)和空空導(dǎo)彈的橋梁和紐帶，起著承上啟下的作用。而發(fā)射裝置中的電路盒，介于飛機航電系統(tǒng)與導(dǎo)彈之間，與航電系統(tǒng)配合，通過信息交聯(lián)完成對導(dǎo)彈的識別、供電、準(zhǔn)備和發(fā)射。因此電路盒能否正常工作是直接決定導(dǎo)彈能否順利發(fā)射的關(guān)鍵。

本文對發(fā)射裝置電路盒的電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)特點進行分析，并總結(jié)其散熱特點。

2 散熱性對電路盒性能的影響

高溫對大多數(shù)電子元器件產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，它會導(dǎo)致電子元器件的失效，進而引起整個設(shè)備的失效。導(dǎo)彈發(fā)射裝置電路盒的主要失效形式就是電子元器件熱失效。據(jù)統(tǒng)計，電子產(chǎn)品的失效有55%是溫度超過規(guī)定值引起的。功率器件熱設(shè)計是電路盒結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽略的一個環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的成功與否，良好的熱設(shè)計是保證電路盒運行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。

3 電路盒的熱設(shè)計

在電路盒的內(nèi)部，功率的損失一般都以熱能的形式散發(fā)出來。散熱設(shè)計的主要依據(jù)是熱力學(xué)第二定律：只要有溫度差存在，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。熱學(xué)設(shè)計應(yīng)包含以下三個內(nèi)容：（1）通過版圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計，使元器件在工作狀態(tài)下產(chǎn)生的熱能量均勻散布在整個有源區(qū)內(nèi)，盡量消除可能形成的熱斑。大功率器件可采用計算機輔助分析技術(shù)確定溫度的二維或者三維分布，通過計算機輔助設(shè)計技術(shù)設(shè)計多胞并聯(lián)圖案、非均勻鎮(zhèn)流電阻、輸入端起功率均分作用的匹配網(wǎng)絡(luò)等。（2）盡量降低器件的熱阻和峰值結(jié)溫，提高器件的工作壽命。（3）器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料的熱匹配設(shè)計。

3.1 熱設(shè)計的計算

電路盒中的熱量主要由電源變壓器、集成電路（大功率器件）等產(chǎn)生。設(shè)計之初，首先計算電路盒中將會產(chǎn)生熱量的大小，同時借鑒以往型號的經(jīng)驗對電路盒進行散熱部分在內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用試制樣機進行溫度驗證。如果不符合設(shè)計要求，可采取增加散熱面積、提高散熱路徑的熱傳導(dǎo)系數(shù)，或改變元器件布局設(shè)計等措施。

以某型導(dǎo)彈為例，該導(dǎo)彈工作時所需電壓為±27±1.5V，而載機提供的電源為400Hz 115V。導(dǎo)彈工作時所需電壓通過發(fā)射裝置中的電路盒進行降壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計采用線性電源，即將機上400Hz電源經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)換為直流電源供導(dǎo)彈使用，降壓原理如圖1所示。

圖1 電路盒降壓示意圖

變壓器功率為50W，該降壓過程是電路盒中熱量的主要來源之一。整個電壓轉(zhuǎn)換電路中主要發(fā)熱器件有4T1變壓器、4NJ1、4NJ2三端可調(diào)穩(wěn)壓器，其次是印制板電路中使用的大功率電容和二極管等。

針對電路盒中熱量產(chǎn)生可以通過電路熱分析仿真模擬來實現(xiàn)?，F(xiàn)在工程上一般使用FLOTHERM專業(yè)電子熱分析軟件。該軟件使用時首先通過建立幾何模型、然后設(shè)定電子設(shè)備的幾何參數(shù)、發(fā)熱元件的發(fā)熱功耗、電子設(shè)備的材料物性參數(shù)（熱傳導(dǎo)率、密度和比熱容等）、工作環(huán)境參數(shù)（壓力、溫度）、最后劃分網(wǎng)格，經(jīng)過后置處理得出熱源程度及分布區(qū)域。

3.2 熱設(shè)計的實現(xiàn)方式

電氣設(shè)備的散熱方法有自然冷卻法、強迫空氣冷卻法以及直接液體冷卻法等。電路盒的外形設(shè)計主要根據(jù)發(fā)射裝置殼體內(nèi)腔提供的可用空間確定其外形尺寸，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。因發(fā)射裝置殼體內(nèi)腔空間結(jié)構(gòu)狹小，同時電路盒還要應(yīng)對各種復(fù)雜氣候環(huán)境的影響，因此對結(jié)構(gòu)密封性及可靠性提出了嚴(yán)格的要求。

基于上述因素考慮，電路盒的散熱方式只能采用自然散熱。對于自然散熱，傳熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。本文主要從以下三方面入手：

（1）新型集成電路的應(yīng)用；

（2）電氣結(jié)構(gòu)布局；

（3）散熱性能好的輔助材料。

3.2.1 新型集成電路的應(yīng)用

電路盒具有體積小的特點，因此需要盡量減少印制板（簡稱PCB）的封裝面積。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)的電路已由原來的模擬電路逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路。隨著芯片制造工藝的不斷發(fā)展，利用元器件集成等技術(shù)使得芯片性能得到了增強。新產(chǎn)品的最大功耗和以前基本相同，發(fā)熱量也幾乎沒有變化，但隨著PCB板面積的縮小，熱密度卻增大了很多。

3.2.2 電氣結(jié)構(gòu)布局

當(dāng)采用自然冷卻方法時，電路盒內(nèi)的電子元器件布置具有重要意義。由于在外罩內(nèi)存在垂直溫度梯度問題，所以有幾項基本規(guī)則是必須遵守的：

（1）應(yīng)把對溫度敏感的元器件放在底部，絕不可直接處于發(fā)熱元器件之上；

（2）元器件的布置應(yīng)按其允許的溫度進行分級，溫度比較高的應(yīng)該放在溫度比較低的元器件上；

（3）應(yīng)該按計算的傳熱系數(shù)確定元器件的排列方向以獲得最佳的自然對流，一般認(rèn)為應(yīng)把元器件最長的尺寸垂直放置；

（4）垂直安裝的元器件在水平方向的排列應(yīng)該交錯布置；

（5）大的熱源所處位置不應(yīng)與其他元器件呈一條垂直線，并在水平方向上的距離應(yīng)盡可能大；

（6）大的熱源一般應(yīng)盡可能靠近溫度最低的表面，并與表面有傳導(dǎo)接觸。溫度最低的表面一般是金屬外殼的內(nèi)表面、金屬底座及金屬支架；

（7）預(yù)先確定導(dǎo)體的橫截面并盡量縮短特定區(qū)域內(nèi)的熱通路，防止熱量流入不應(yīng)進入的通路。

散熱方式可以分為主動散熱和被動散熱兩種。發(fā)射裝置電路盒因其密封性要求及空間狹小的特點，采用的散熱方式一般為被動式。在變壓器頂部設(shè)計安裝有散熱片，在安裝時散熱片緊貼需要散熱的部位，吸收熱量并增大散熱表面積以實現(xiàn)散熱。散熱片通常用整體加工出平行肋片式形狀，所選材料主要為導(dǎo)熱性能良好的銅、鋁和鋼等。某型散熱片采用的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該散熱片用鋸齒刀加工出深約10mm的平行槽，增大了有效散熱面積，加快了變壓器熱量的散失。

圖2 某型電路盒散熱片結(jié)構(gòu)示意圖

印制板組裝件之間的間距，一般應(yīng)控制在19mm～21mm之間。圖3所示為某型電路盒印制板裝配示意圖。該型電路盒從下到上依次安裝四塊繼電器印制板，通過散熱性能好的銅材立柱固定，良好的間距使得繼電器印制板產(chǎn)生的熱量能夠有效地輻射出去。

圖3 某型電路盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

對于所有傳導(dǎo)熱量的接觸面（如底板、前后端蓋、外罩等）應(yīng)該平整光滑，有較低的表面粗糙度，采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬材料。考慮到材料重量因素，首先推薦選用材質(zhì)輕的鋁合金板材；并增加需要散熱元件和模塊的導(dǎo)熱接觸面積。

3.2.3 輔助材料

選用導(dǎo)熱性能良好的輔助材料能夠有助于熱量的散失，有效提高散熱性。對高低不平的導(dǎo)熱面可以采用導(dǎo)熱絕緣海綿橡膠板作為傳熱層；在功率器件、散熱器和絕緣片之間的所有接觸面處應(yīng)涂導(dǎo)熱膏或加導(dǎo)熱絕緣硅橡膠片。采用聚四氟乙烯及云母之類柔軟和可彎曲的材料可以部分補償表面質(zhì)量缺陷，在電路盒裝配接觸面涂抹硅有機樹脂合成物可大大減少接觸熱阻。另外電路盒裝配時，因接觸熱阻隨零件表面平滑度和旋緊螺釘所施加的力矩的不同而有差異，因此各連接部件在安裝固定時應(yīng)按規(guī)定的力矩或接觸壓力固定，使其能夠在接觸面提供有效熱阻。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了電路盒的散熱特點，同時通過正確恰當(dāng)?shù)臒岱治龇抡婺軌蛟谠O(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)電路盒中熱源的產(chǎn)生部位及大小，在結(jié)構(gòu)布局時采取有效的應(yīng)對措施。通過散熱技術(shù)在發(fā)射裝置電路盒設(shè)計裝配過程中的應(yīng)用，提高了電路盒工作的可靠性，使得產(chǎn)品性能能夠得到更好的發(fā)揮。

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