復(fù)雜環(huán)境下一種綜合模塊化航空電子機(jī)架的散熱設(shè)計(jì)

楊德春

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

航空電子系統(tǒng)則是戰(zhàn)機(jī)的“大腦”或“中樞神經(jīng)”。它承載了戰(zhàn)機(jī)絕大多數(shù)任務(wù)，比如電子戰(zhàn)、通信/導(dǎo)航/識(shí)別（CNI）/數(shù)據(jù)鏈功能等，是決定戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)效能的重要因素[1]。航空電子系統(tǒng)的發(fā)展階段可以分為以下幾個(gè)階段：第一代航電結(jié)構(gòu)——分離式：特點(diǎn)是設(shè)備相互獨(dú)立，信息交換困難；第二代航電結(jié)構(gòu)——聯(lián)合式：形成了功能各自獨(dú)立的子系統(tǒng)或航電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了信息鏈后端控制與顯示部分的資源共享；第三代航電結(jié)構(gòu)——綜合模塊化：采用開放式體系結(jié)構(gòu)，充分應(yīng)用商用貨架（COTS）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)軟件和硬件功能單元，使用統(tǒng)一光纖網(wǎng)連接所有功能區(qū)，并推動(dòng)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、CNI等射頻部件的綜合。

綜合模塊化航空電子機(jī)架是采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將傳統(tǒng)分離式或聯(lián)合式的多種獨(dú)立電子設(shè)備進(jìn)行綜合集成設(shè)計(jì)，形成以LRM模塊為基礎(chǔ)單元的設(shè)備或系統(tǒng)，其特點(diǎn)是集成度高、開放性好、全壽命成本低、具有良好的維修性和可靠性[2]。

采用一定標(biāo)準(zhǔn)的模塊和機(jī)架是綜合航空電子的有效載體，該硬件載體不僅要求能滿足電氣互聯(lián)互換的要求以實(shí)現(xiàn)既定功能，而且要求能夠滿足復(fù)雜環(huán)境（諸如溫度、高頻振動(dòng)及沖擊、復(fù)雜的電磁環(huán)境、三防（防濕熱、防鹽霧、防霉菌）等綜合環(huán)境）下的散熱需求。

1 邊界條件及初步熱估算

本項(xiàng)目中的綜合模塊化航空電子機(jī)架總熱耗1 070 W，32個(gè)模塊，整機(jī)面臨的復(fù)雜環(huán)境有：高溫環(huán)境最高溫度71 ℃、低溫-55 ℃、酸性鹽霧環(huán)境、低氣壓環(huán)境、耐久振動(dòng)較高的環(huán)境、電磁兼容要求較高（RE102、RS103等都有要求）。

本項(xiàng)目由于規(guī)定機(jī)架的安裝空間在500 mm×500 mm×320 mm的一個(gè)長方體的空間中，根據(jù)對(duì)模塊的規(guī)劃，總共32個(gè)獨(dú)立的模塊，選擇ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的模塊較為適合，長度233.4 mm，寬度160 mm，厚度采用24 mm和30 mm兩種規(guī)格，來兼容不同功能的模塊的厚度尺寸方向的需求同時(shí)兼顧減重的需求。

根據(jù)表面熱流密度的計(jì)算公式：

由圖1 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法可知，自然冷卻（自然對(duì)流和輻射散熱）不能滿足要求，一般認(rèn)為當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度在（0.08～0.3）W/cm2時(shí)，則可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式[3]。

圖1 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法

2 復(fù)雜環(huán)境下散熱方案的選擇分析

由于裝載飛機(jī)不能提供液冷和風(fēng)冷資源，將考慮機(jī)架自帶風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。強(qiáng)迫風(fēng)冷的電子設(shè)備，按照元器件或模塊的不同熱傳遞途徑，將模塊散熱分為模塊傳導(dǎo)風(fēng)冷散熱、模塊直接風(fēng)冷散熱和模塊元器件直接風(fēng)冷散熱三種方式。

電子模塊一般由盒體蓋板等結(jié)構(gòu)件包裹印制板而成，印制板上安裝電子元器件及電連接器，結(jié)構(gòu)件上安裝鎖緊起拔裝置，模塊構(gòu)成如如圖2所示。

圖2 模塊外形圖

解決印制板上元器件的散熱問題是模塊及電子機(jī)架環(huán)境適應(yīng)性中最直接的問題。

將熱流量（功耗）模擬為電流，溫差模擬為電壓（或稱電位差），熱阻模擬為電阻，用電路網(wǎng)絡(luò)表示方法處理熱設(shè)計(jì)問題稱為熱電模擬方法[4]。本文采用熱電模擬方法來進(jìn)行比較分析。

2.1 模塊傳導(dǎo)風(fēng)冷散熱方案

模塊采用ASAAC封裝標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)件相對(duì)封閉，印制板上的元器件熱量依次傳導(dǎo)至導(dǎo)熱襯墊、盒體底面、盒體肋條、機(jī)架冷板卡槽、機(jī)架冷板流道風(fēng)冷介質(zhì)，模塊的結(jié)構(gòu)形式和熱導(dǎo)圖如圖3所示。機(jī)架冷板采用散熱器形式，風(fēng)機(jī)組件在一側(cè)抽風(fēng)或吹風(fēng)，將模塊傳導(dǎo)至冷板的熱量帶走，機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式見圖4所示。

圖3 模塊的結(jié)構(gòu)形式和熱導(dǎo)圖

圖4 機(jī)架結(jié)構(gòu)形式

模塊傳導(dǎo)風(fēng)冷散熱，在熱導(dǎo)圖上看出，從原器件的結(jié)溫到流道的溫度中，有器件的結(jié)殼熱阻、導(dǎo)熱襯墊熱阻、盒體熱阻、冷板熱阻，以及他們之間的接觸熱阻，總熱阻較大。但模塊和機(jī)架都是相對(duì)封閉的結(jié)構(gòu)，有良好的電磁屏蔽效果，外界鹽霧環(huán)境也難以侵蝕模塊和機(jī)架內(nèi)部。

2.2 模塊直接風(fēng)冷散熱方案

在模塊傳導(dǎo)風(fēng)冷散熱的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)，將模塊傳導(dǎo)至冷板風(fēng)冷改為模塊側(cè)面直接風(fēng)冷，去掉了冷板熱阻和模塊與冷板的接觸熱阻，模塊側(cè)面增加散熱齒增大散熱面積，模塊的結(jié)構(gòu)形式和熱導(dǎo)圖見圖5所示，機(jī)架上部安裝風(fēng)機(jī)，去掉了散熱器的冷板變成了有通風(fēng)孔的支撐板，機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式見圖6所示。

圖5 模塊的結(jié)構(gòu)形式和熱導(dǎo)圖

圖6 機(jī)架結(jié)構(gòu)形式

相比模塊傳導(dǎo)風(fēng)冷散熱，冷卻效果明顯提升，但是機(jī)架和模塊處于一個(gè)開放的環(huán)境，需要機(jī)架和模塊自身做好電磁屏蔽和三防處理。

2.3 模塊元器件直接風(fēng)冷散熱方案

從模塊元器件直接風(fēng)冷散熱的熱導(dǎo)圖上看出，如果將模塊做成開放式，取消元器件經(jīng)導(dǎo)熱襯墊、盒體導(dǎo)熱，元器件直接強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，模塊的結(jié)構(gòu)形式和熱導(dǎo)圖見圖7所示，機(jī)架頂部安裝風(fēng)機(jī)，仍然保持通風(fēng)孔的支撐板，機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式見圖8所示。

圖7 模塊的結(jié)構(gòu)形式和熱導(dǎo)圖

圖8 機(jī)架結(jié)構(gòu)形式

從熱導(dǎo)圖上看，少了幾處熱阻，冷卻效果理論上能進(jìn)一步提升，但隨之而來缺少金屬殼體的熱擴(kuò)散作用，冷卻效果受到影響。并且模塊內(nèi)部處于一個(gè)開放的環(huán)境，模塊電磁屏蔽難度較大，內(nèi)部印制板和元器件面對(duì)三防有很大的壓力。

2.4 復(fù)雜環(huán)境下散熱方式對(duì)比

選擇何種散熱方案，要針對(duì)要求和復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行綜合對(duì)比，需要考慮以下因素：

1）重量和尺寸

采用模塊直接風(fēng)冷時(shí)，模塊之間要預(yù)留風(fēng)道，將加大機(jī)架的寬度尺寸，從而重量也將增加，模塊也需在風(fēng)道的側(cè)面設(shè)置散熱齒，也將增加重量，但是用傳導(dǎo)風(fēng)冷的機(jī)架，在機(jī)架的冷板設(shè)計(jì)上，冷板需要更大的厚度尺寸，冷板內(nèi)部也需設(shè)置散熱齒，將使機(jī)架的高度尺寸和重量增加。元器件直接風(fēng)冷散熱模塊，要在模塊內(nèi)預(yù)留散熱通道，將增大模塊厚度尺寸，從而增加機(jī)架寬度尺寸，重量也隨之增加。三者的重量增加值經(jīng)初步測(cè)算，大致相當(dāng)。

2）散熱

三種方式在散熱上有較大的區(qū)別，模塊采用傳導(dǎo)冷卻，由于傳導(dǎo)冷卻與傳導(dǎo)的面積有關(guān)，模塊與機(jī)架的熱傳導(dǎo)截面為肋條的側(cè)面，面積較小，通過傳導(dǎo)散熱將增加幾層熱阻，因此一般允許LRM的熱耗較低（40 W以內(nèi)）。而采用模塊直接風(fēng)冷時(shí)，模塊的整個(gè)大側(cè)面都能直接在空氣中散熱，大部分熱量通過對(duì)流方式帶走，因此允許LRM的熱耗可以較高（90 W以內(nèi)）。采用模塊元器件直接風(fēng)冷，散熱效率較高，允許LRM的熱耗也較高。

由于本課題機(jī)架內(nèi)的模塊熱耗一般在（15～50）W左右，電源模塊在80 W左右。從熱設(shè)計(jì)的角度來說，采用模塊直接風(fēng)冷的散熱方式可以滿足要求。

3）抗沖擊振動(dòng)能力

三種散熱方案的模塊和機(jī)架，模塊采用楔形鎖緊裝置脹緊在機(jī)架冷板或支撐板的卡槽中，模塊和機(jī)架的外形差異不大，模塊和機(jī)架都可按照沖擊振動(dòng)的環(huán)境條件進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，因此在抗沖擊振動(dòng)能力上可以認(rèn)為三者相當(dāng)。

4）電磁兼容和耐三防能力

模塊傳導(dǎo)風(fēng)冷散熱，模塊處于內(nèi)部空間，模塊的電磁屏蔽和三防不需著重考慮，機(jī)架的冷板因?yàn)橛协h(huán)境風(fēng)的流動(dòng)，需要做好表面處理。

模塊直接風(fēng)冷，模塊外部暴露于空氣中，模塊自身需要進(jìn)行相對(duì)封閉的設(shè)計(jì)，才能滿足電磁屏蔽要求，模塊自身的結(jié)構(gòu)件在選材和表面處理上要著重考慮。

模塊元器件直接風(fēng)冷，模塊的內(nèi)部空間暴露在環(huán)境中，在元器件、印制板、電纜、結(jié)構(gòu)件等所有部位進(jìn)行重防護(hù)設(shè)計(jì)，使防護(hù)變得困難。由于發(fā)熱器件外表面進(jìn)行了防護(hù)，反而會(huì)降低其散熱能力。由于模塊開了通風(fēng)窗，也降低了電磁屏蔽能力。

綜合散熱、尺寸重量、抗沖擊振動(dòng)能力、電磁兼容和耐三防能力，本課題選擇模塊直接風(fēng)冷的散熱方案。

3 熱計(jì)算與仿真分析

3.1 風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

對(duì)于風(fēng)機(jī)供風(fēng)的機(jī)架，當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境條件及風(fēng)道設(shè)計(jì)完成后，需要計(jì)算來進(jìn)行風(fēng)機(jī)的選型及確定安裝方案，具體設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：

1）自然對(duì)流換熱量計(jì)算

自然對(duì)流換熱量：

式中：

α—綜合自然散熱系數(shù)，通常取α=10 W/m2·℃；

S—可用于自然對(duì)流散熱的表面積，m2；

T—表面平均溫升，℃；

W1=α·S·T=10×1.05×15=157.5（W）（設(shè)表面平均溫升為15 ℃）。

2）強(qiáng)迫對(duì)流換熱量計(jì)算

需要強(qiáng)迫風(fēng)冷帶走的熱量W2：

式中：

P—機(jī)箱的總熱耗散功率。

3）強(qiáng)迫對(duì)流換熱體積流量計(jì)算

所需冷卻空氣的質(zhì)量流量，通過熱平衡公式計(jì)算：

Q—所需帶走的強(qiáng)迫對(duì)流熱功率；

Cp—熱容量，取定性溫度55 ℃時(shí)，Cp=1 009 J/（kg·℃）；

Δt—進(jìn)出口空氣溫差；

V—空氣的體積流量；

ρ—空氣密度

取進(jìn)出口風(fēng)溫差5℃，V=912.5/（1 009×5×1）=0.181（m3/s），即651.6 m3/h。

4）計(jì)算風(fēng)道的壓力損失

通過初步仿真分析，該機(jī)箱風(fēng)道的靜壓損失約為

10 0 Pa左右。

5）風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)上述方法得知機(jī)箱風(fēng)道壓力損失100 Pa，強(qiáng)迫風(fēng)冷所需風(fēng)量V=663 m3/h。根據(jù)尺寸大小及風(fēng)量需求，選取10個(gè)EBM公司8214JN風(fēng)機(jī)并聯(lián)安裝，該風(fēng)機(jī)的特征曲線如圖9。該風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作壓力范圍為（80～115）Pa，風(fēng)量（61～105）m3/h，10個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)后，風(fēng)量為（610～1 050）m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 8214JN風(fēng)機(jī)特征曲線

3.2 熱仿真分析

3.2.1 仿真模型處理

在處理模型時(shí)，對(duì)孔進(jìn)行了簡化，對(duì)局部倒角、過渡結(jié)構(gòu)等不影響整體傳熱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，以減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量。

簡化模型后網(wǎng)格劃分情況見圖10所示。

圖10 求解及網(wǎng)格劃分

3.2.2 仿真計(jì)算條件

機(jī)架各模塊的熱耗見表1，總熱耗1 070 W。

表1 模塊熱耗分布

溫度：環(huán)境溫度+71 ℃。

3.2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

1）機(jī)架仿真結(jié)果

機(jī)架整體風(fēng)速分布如圖11所示，模塊之間的風(fēng)速位于（5.5～17.2）m/s之間。機(jī)架整體溫度云圖如圖12所示，模塊表面溫度位于（72.7～88.5）℃之間。風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)示意見圖13所示，位于推薦的工作區(qū)內(nèi)。

圖11 機(jī)架整體風(fēng)速云圖

圖12 機(jī)架整體溫度分布云圖

圖13 風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)示意圖

2）模塊仿真結(jié)果

選取了熱耗較高，發(fā)熱器件種類較多的典型模塊進(jìn)行了仿真分析，其溫度云圖如圖14所示，器件的仿真殼溫位于（80.2～86.6）℃之間，低于（90～150）℃的許用殼溫，模塊能夠正常工作。

圖14 典型模塊溫度分布云圖

4 進(jìn)階設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)機(jī)的自我保護(hù)設(shè)計(jì)

一般工業(yè)級(jí)風(fēng)機(jī)工作的最低溫度為-20 ℃，本項(xiàng)目中要求低溫工作溫度為-55 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其工作溫度，一般風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要潤滑油，當(dāng)溫度過低使得潤滑油凝固，風(fēng)機(jī)強(qiáng)行運(yùn)轉(zhuǎn)，將帶來極大的傷害。改進(jìn)措施之一是：讓風(fēng)機(jī)工作在允許的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)過低時(shí)讓風(fēng)機(jī)停止工作[5]。

風(fēng)機(jī)低溫保護(hù)電路的原理如圖15所示。其中N1是AD22100型溫度傳感器，將采集的環(huán)境溫度信息轉(zhuǎn)換成為電壓信息，N2是AD822AR型雙運(yùn)算放大器，將比較正負(fù)極電壓大小來選擇導(dǎo)通或截止，通過保護(hù)電路來控制場(chǎng)效應(yīng)管V3，V3的電流輸入狀態(tài)決定了對(duì)風(fēng)機(jī)電源輸入是否能夠?qū)ǖ斤L(fēng)機(jī)組件上?？梢酝ㄟ^調(diào)整R2、R3的電阻值進(jìn)行溫度控制點(diǎn)的設(shè)置。

圖15 風(fēng)機(jī)低溫保護(hù)電路原理圖

外部電源首先經(jīng)過集成了電源變換、溫度控制等功能的風(fēng)機(jī)電源控制單元，再給風(fēng)機(jī)組件供電。當(dāng)環(huán)境溫度（由溫度傳感器獲?。┑陀跍囟瓤刂泣c(diǎn)時(shí)，低溫保護(hù)電路斷開風(fēng)機(jī)的電源，風(fēng)機(jī)停止工作；反之，低溫保護(hù)電路接通風(fēng)機(jī)的電源，風(fēng)機(jī)工作。

在工程設(shè)計(jì)上，一般采用給設(shè)計(jì)溫度留足夠余量的方式來解決傳感器精度的問題，而不采用設(shè)計(jì)具有滯回作用的遲滯電路來保護(hù)風(fēng)機(jī)的啟停，因?yàn)闀?huì)增加硬件成本和重量并有可能會(huì)降低可靠性。

采用了AD22100型溫度傳感器，功能框圖如圖16所示。

圖16 溫度傳感器功能框圖

取風(fēng)機(jī)保護(hù)溫度點(diǎn)TA為-10 ℃，留有余量10 ℃，根據(jù)N1手冊(cè)上的輸出電壓計(jì)算公式：

VCC=+5 V，計(jì)算得到VN1OUT=1.15 V。

假設(shè)VN2+=VN2-，可得下式：

R1一般取值較大，起限流保護(hù)作用，因此：

計(jì)算得：R3=3.3R2，根據(jù)現(xiàn)有商品電阻選取，R2選擇RC05K362型，阻值3.6 kΩ，R3選擇RC05K112J型，阻值1.1 kΩ，R1選擇RC05K103J型，阻值10 kΩ，帶入上式進(jìn)行校核計(jì)算，TA=-9 ℃，當(dāng)溫度傳感器識(shí)別到環(huán)境溫度低于-9 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)保護(hù)電路發(fā)揮作用，切斷風(fēng)機(jī)的供電，風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，避免了因低溫潤滑不好風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的磨損破壞。

4.2 風(fēng)機(jī)的自我故障上報(bào)設(shè)計(jì)

當(dāng)一個(gè)或多個(gè)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，如果不能及時(shí)上報(bào)，會(huì)對(duì)模塊的散熱產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響模塊及系統(tǒng)的正常工作，需要及時(shí)定位和更換故障風(fēng)機(jī)，因此風(fēng)機(jī)的故障報(bào)警顯得尤為重要。

首先，在風(fēng)機(jī)的選擇上，需要選擇帶狀態(tài)輸出的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)有兩種，一種是傳統(tǒng)的只有正負(fù)極的風(fēng)機(jī)，另外一種是除開正負(fù)極還有一根狀態(tài)輸出引線的風(fēng)機(jī)。需要選擇帶狀態(tài)輸出的風(fēng)機(jī)，及時(shí)能夠輸出風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，上報(bào)至系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其接線圖見圖17所示。

圖17 風(fēng)機(jī)接線圖

當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)輸出低電平，當(dāng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)輸出高電平，通過系統(tǒng)信號(hào)處理模塊將狀態(tài)信息反饋到操作界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒。

單獨(dú)設(shè)計(jì)故障報(bào)警電路提供信號(hào)給機(jī)架面板的指示燈上來反映風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。不接入系統(tǒng)，也可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)信息。見圖18所示。

圖18 故障報(bào)警功能框圖

FAN_FX為每個(gè)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)輸出線，通過限流電阻RX接入電源，當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，狀態(tài)輸出保持低電平，限流電阻RX中有電流通過，而發(fā)光二極管VDX和限流電阻RLX中沒有電流，光耦處于截止?fàn)顟B(tài)，指示燈不亮。當(dāng)風(fēng)機(jī)損壞或堵轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出高電平，光耦處于開通狀態(tài)，指示燈點(diǎn)亮，警示需更換風(fēng)機(jī)。

5 結(jié)束語

該綜合模塊化航空電子機(jī)架在高溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)中工作正常，表明采用的散熱設(shè)計(jì)有效。

模塊采用屏蔽盒形式，在表面進(jìn)行了防腐設(shè)計(jì)，機(jī)架風(fēng)道內(nèi)也進(jìn)行了防腐設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)能夠滿足電磁屏蔽要求和酸性鹽霧環(huán)境要求，在后續(xù)的電磁兼容試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜合模塊化航空電子機(jī)架散熱設(shè)計(jì)的核心是模塊內(nèi)的芯片能夠散熱，主要目標(biāo)是滿足在高溫環(huán)境下機(jī)架能夠正常工作。在滿足散熱的前提下，散熱設(shè)計(jì)需要綜合考慮重量、尺寸、冷卻資源等裝機(jī)使用要求、電磁兼容要求和環(huán)境適應(yīng)性要求。只有滿足了復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)計(jì)，才是一個(gè)均衡的、合理的、綜合性的散熱設(shè)計(jì)。