LKJ2000型監(jiān)控裝置散熱系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張華++黃娟娟

摘 要：LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置已有“安全期”過渡到“故障頻發(fā)期”，電容爆漿、記錄芯片起泡變型、監(jiān)控模式混亂、彩屏與監(jiān)控裝置通訊等故障頻繁發(fā)生。究其原因，主要是LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控裝置設(shè)計上存在缺陷，采用自然風(fēng)冷，沒有散熱系統(tǒng)，影響該裝置作用的正常發(fā)揮，對運(yùn)輸安全生產(chǎn)造成較大干擾。因此，如何降低監(jiān)控裝置內(nèi)部溫度，使監(jiān)控過熱故障率下降，提高機(jī)車的運(yùn)行性能，成為鐵路運(yùn)行急需解決的問題。

關(guān)鍵詞：LKJ2000監(jiān)控裝置 散熱系統(tǒng) 元器件 溫度

中圖分類號：U26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0065-03

隨著列車運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)的升級換代，2002年路局開始全面推廣使用LKJ2000型監(jiān)控裝置，但是運(yùn)用情況并不盡如人意，電容爆漿、記錄芯片起泡變型、監(jiān)控模式混亂、彩屏與監(jiān)控裝置通訊等故障頻繁發(fā)生。究其原因，主要為LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控裝置設(shè)計上存在缺陷，采用自然風(fēng)冷，沒有散熱系統(tǒng)，在氣候炎熱的季節(jié)，裝置內(nèi)部溫度達(dá)90℃以上。電子元器件過熱損壞。影響該裝置作用的正常發(fā)揮，每年此類故障率就占了監(jiān)控裝置故障落修率的80%以上。對運(yùn)輸安全生產(chǎn)造成較大干擾。為此，昆明機(jī)務(wù)段組成課題組，設(shè)計研制出一套散熱裝置樣機(jī)，使LKJ2000型監(jiān)控裝置過熱故障率下降80%以上。散熱裝置性能可靠，安裝方便，不影響監(jiān)控裝置正常工況。

1 主要元器件正常工況環(huán)境溫度范圍分析

1.1 DS1250Y芯片

DS1250Y芯片內(nèi)部每個NV SRAM均自帶鋰電池及控制電路。在所有的環(huán)境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大，在電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有密切的關(guān)系，電極/電解液界面被視為電池的心臟，如果溫度下降，電極的反應(yīng)率也下降，假設(shè)電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會下降；如果溫度上升則相反，即電池輸出功率會上升。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，溫度下降，傳送減慢。

對于DS1250Y芯片來說溫度太高，即：≥45℃，會破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，導(dǎo)致副反應(yīng)，釋放出腐蝕性物質(zhì)，同時，高溫下充電電池材料的性能會退化，電池的循環(huán)壽命也將大大縮短。

經(jīng)測試，監(jiān)控主機(jī)箱的內(nèi)部環(huán)境溫度一般高達(dá)85℃以上。在這樣環(huán)境中長期工作最終導(dǎo)致芯片內(nèi)部鋰電池因過熱損壞導(dǎo)致芯片外部起泡變形，從而嚴(yán)重影響DS1250Y芯片的電氣性能。使CPU讀寫DS1250超時或失敗致使監(jiān)控記錄文件出現(xiàn)錯誤。

可見監(jiān)控記錄板上DS1250Y芯片工作的環(huán)境溫度應(yīng)<45℃，原芯片內(nèi)部控制標(biāo)稱電路所選用的-40℃到+85℃工業(yè)級溫度范圍有偏差。

1.2 27C4001芯片

LKJ2000型監(jiān)控裝置選用存儲監(jiān)控模式及數(shù)據(jù)的EPROM芯片即27C4001芯片。由于監(jiān)控裝置內(nèi)部的工作溫度較高，即便沒有外加電場，“熱載流子”也會通過“電子遷移”的方式緩慢的注入NVM器件。改變EPROM中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致監(jiān)控模式混亂。

1.3 CPU

1989年MOTOROLA公司推出MC68300系列32位單片機(jī)，LKJ2000型監(jiān)控裝置選用的就是其代表性產(chǎn)品MC68332。

據(jù)超微公司（AMD）統(tǒng)計，全世界因中央處理器引起的各種故障中，長期溫度過高所致CPU損壞的占92%。然而，并不是熱直接傷害CPU，而是熱所導(dǎo)致的“電子遷移”效應(yīng)在緩慢的損壞CPU內(nèi)部的芯片結(jié)構(gòu)，是高溫導(dǎo)致的“電子遷移”效應(yīng)而引發(fā)的結(jié)果。為了防止“電子遷移”效應(yīng)的發(fā)生，必須把CPU的表面溫度控制在攝氏55℃以下，這樣CPU的內(nèi)部溫度維持在80℃以下，“電子遷移”現(xiàn)象才不會輕易的發(fā)生。此外“電子遷移”效應(yīng)也并非立刻就會損壞CPU（芯片），它對CPU（芯片）的損壞是一個緩慢的過程，但肯定會縮短CPU的使用壽命。

1.4 電解電容

一般導(dǎo)致電解電容爆漿漏液的原因分為兩種：①電容過壓；②電容過熱。LKJ2000型監(jiān)控裝置電源插件上裝有3個濾波電解電容，經(jīng)過對故障插件的分析研究并不是3個電解電容同時爆漿，有的插件僅有一個電容爆漿。如果是過壓原因造成電容爆漿，應(yīng)該是3個電解電容全部爆漿，絕對不會有一個幸免，所以電源插件上的電解電容爆漿的原因只可能是過熱。

2 監(jiān)控裝置散熱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 散熱方式比選

散熱就所采用的方式來說，可以分為兩種，被動散熱和主動散熱，在主動散熱中根據(jù)采用的散熱方式不同，又分為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱、半導(dǎo)體致冷片散熱、壓縮機(jī)輔助散熱和液氮散熱等幾種。

從熱力學(xué)的角度看，物體的吸熱、放熱是相對的，只要有溫度差存在，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象，有差別的只是傳導(dǎo)速度。熱傳遞有3種方式：輻射、對流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱的散熱能力非常好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝空間、工藝要求很高，監(jiān)控裝置的安裝位置無法滿足空間上的要求。

風(fēng)冷散熱是現(xiàn)在最為常見且使用率最高的一種散熱方式，屬于主動散熱，這種散熱方式可以解決監(jiān)控裝置的散熱需要，技術(shù)成熟并且空間、安裝工藝要求不高。風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，冷卻效果明顯。

為提升CPU、CAN芯片、電源模塊的散熱效果，課題組研究了散熱片被動散熱。所謂被動散熱，即在不借助任何輔助散熱方式的情況下，通過散熱片自身與芯片的接觸，進(jìn)行熱傳導(dǎo)帶走芯片上聚集的熱量，通過增加芯片的有效散熱面積來降低芯片工作溫度。但就LKJ2000監(jiān)控裝置機(jī)箱的復(fù)雜情況，各個元件發(fā)出的熱量無法自然散出，僅僅采用被動散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足監(jiān)控裝置散熱的需要。經(jīng)過調(diào)研論證，最終確定LKJ2000型監(jiān)控裝置采用風(fēng)冷散熱和散熱片被動散熱相結(jié)合的散熱方式。

2.2 散熱片的選擇

雖然風(fēng)冷散熱器中“風(fēng)”起著至關(guān)重要的作用，但沒有散熱片作為基礎(chǔ)，“風(fēng)力”散熱則無從發(fā)揮?？梢哉f，散熱片的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制作工藝對風(fēng)冷散熱器的性能起著決定性的作用，也是判斷風(fēng)冷散熱器性能時需要注意的第一要素。散熱片擔(dān)負(fù)著將發(fā)熱物體產(chǎn)生的熱量散失到周圍空氣中的使命，是風(fēng)冷散熱器中的熱量傳導(dǎo)通道。其主要作用有：吸熱、導(dǎo)熱和散熱。

制作散熱器用金屬銅材料加工鰭片最好，而且使用特殊的工藝為散熱器提供了更多的鰭片，從而增加傳熱面積獲得更好的散熱效率，但銅的密度大，如果采用全銅散熱片，散熱器的重量會很沉重很可能會壓壞CPU（各種CPU對散熱器的重量都有規(guī)定，MC68332CPU是≤35克）或散熱片因自重脫落。

通過以上分析，確定采用鋁制平板型吸熱底+直立林狀鰭片的設(shè)計。

為保證芯片在所能承受的最高溫度以內(nèi)正常工作，用導(dǎo)熱材料和工具將散熱器安裝于芯片上面，從而將芯片產(chǎn)生的熱量迅速排除。根據(jù)散熱器規(guī)格、芯片功率、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，通過熱傳導(dǎo)計算來確定芯片工作溫度。

2.3 散熱通路設(shè)計（被動式散熱）

由于散熱器底面與芯片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，所以空氣間隙會嚴(yán)重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充，課題組確定使用導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料。

芯片發(fā)出的熱量通過導(dǎo)熱材料傳遞給散熱器，再通過風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動將絕大部分熱量通過對流（強(qiáng)制對流和自然對流）的方式帶走到周圍的空氣中，強(qiáng)制將熱量排除，這樣就形成了從芯片開始，然后通過散熱器和導(dǎo)熱材料，到周圍空氣的散熱通路。如圖1所示。

2.4 LKJ2000型監(jiān)控裝置散熱系統(tǒng)設(shè)計

將LKJ-2000型監(jiān)控裝置數(shù)學(xué)模型，放入風(fēng)動模擬試驗程序，計算機(jī)列出了近似溫度相位方程。

以上方程用計算機(jī)擬合出函數(shù)關(guān)系求解后計算機(jī)繪出溫度信號曲線（圖2）。

根據(jù)分析：①當(dāng)上下隔板溫度信號相位相反的時，機(jī)箱內(nèi)溫度恒定基本為恒溫；②當(dāng)上下隔板溫度信號相位改變時，相位變化越大機(jī)箱內(nèi)各個離散點溫度波動越劇烈；③機(jī)箱內(nèi)同一水平高度溫度相差不大。

所以讓機(jī)箱快速將箱內(nèi)溫度釋放必須改變上下隔板的溫度相位。改變溫度相位最有效的方法是使用風(fēng)扇。

通過計算散熱片可以使芯片工作溫度降至63.5℃左右，但是根據(jù)前面監(jiān)控裝置機(jī)箱的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)的結(jié)論，溫度是會出現(xiàn)飽和性積累的，所以設(shè)計為一個將散熱片被動散熱和主動散熱相結(jié)合的適合LKJ2000型監(jiān)控裝置使用的整體散熱系統(tǒng)，如圖3所示。

3 試驗過程及效果分析

第一階段，完成了監(jiān)控裝置散熱系統(tǒng)方案初步設(shè)計工作。并采購分離器件制作了簡易監(jiān)控裝散熱裝置，利用監(jiān)控裝置多臺地面?zhèn)淦罚瑢ρb置進(jìn)行第一階段地面試驗。試驗結(jié)果表明散熱系統(tǒng)能有效降低電源插件、監(jiān)控記錄插件的工作溫度。

第二階段，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步完善散熱系統(tǒng)模型，增加被動散熱部分散熱方案，解決大功率模塊、CPU、芯片發(fā)熱點集中的問題；并優(yōu)化設(shè)計完善各部份的性能，確定監(jiān)控散熱系統(tǒng)裝置的設(shè)計、制造方案。

第三階段，對監(jiān)控裝置散熱系統(tǒng)的設(shè)計改造進(jìn)行最后的調(diào)試工作，制作了專用散熱風(fēng)路箱體，使樣機(jī)更加規(guī)范。并在SS7型0014號機(jī)車上正式裝車試用。自試用以來，所研制的散熱裝置性能穩(wěn)定，作用良好，經(jīng)100000多公里運(yùn)用考核表明，LKJ2000型監(jiān)控裝置工作可靠性有了較大提高，未曾發(fā)生過任何監(jiān)控裝置因過熱死機(jī)、關(guān)機(jī)、記錄混亂無法分析等故障，實現(xiàn)零故障報修。

4 結(jié)語

該散熱系統(tǒng)具有以下特點。

（1）頂部安裝散熱風(fēng)扇較好解決死區(qū)問題。

（2）該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、散熱風(fēng)路無死區(qū)，其散熱效果好；

（3）由于采用外置安裝，該設(shè)備無需對監(jiān)控裝置整體外形加工改造，安裝方便；

（4）風(fēng)扇采用機(jī)車110V獨立電源，同監(jiān)控裝置電源分離不會對監(jiān)控裝置的電源產(chǎn)生紋波干擾；

（5）過濾網(wǎng)采用套裝方式，更換方便；

（6）風(fēng)扇采用工作指示燈便于檢查。

該裝置裝車后，一方面，有效地解決了課題提出的問題；另一方面保證了監(jiān)控裝置基本功能的實施，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本的支出、延長監(jiān)控裝置的使用壽命、減少檢修工作量，有力的保障了LKJ2000監(jiān)控裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

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