王彥斌

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

0 引言

隨著電子技術(shù)水平的迅速發(fā)展，伴隨著固體電路、超大規(guī)模集成電路的相繼出現(xiàn)，機(jī)載電子設(shè)備不斷向著高性能、高密度、小型化方向發(fā)展。

機(jī)載功率放大設(shè)備主要是實(shí)現(xiàn)接收、功率放大、接口控制和狀態(tài)檢測(cè)功能。該設(shè)備將多個(gè)獨(dú)立電子功能模塊進(jìn)行多維優(yōu)化組合，從而使設(shè)備體積和重量得到顯著降低，但由此會(huì)帶來(lái)設(shè)備的散熱難度增加，設(shè)備的熱設(shè)計(jì)將成為模塊設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)，同時(shí)該設(shè)備振動(dòng)環(huán)境惡劣，設(shè)備的振動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)也需要重點(diǎn)關(guān)注。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電子設(shè)備是獨(dú)立的LRU模塊，由安裝架、濾波器模塊、控制板和接口模塊、盒體及內(nèi)部功放單元等組成，連接螺釘均采用GB818和GB819系列的不銹鋼螺釘。該設(shè)備主體和安裝架之間采用導(dǎo)銷和前鎖緊裝置固定，能實(shí)現(xiàn)快速拆卸。設(shè)備采用專用高低頻電纜傳送模塊間高低頻電信號(hào)，其主要對(duì)外接口位于前面和左側(cè)面。

圖1 電子設(shè)備外形示意圖

該設(shè)備內(nèi)部組裝、檢修、更換、維護(hù)方便，其中濾波器模塊和控制板模塊各采用4顆M5螺釘固定，拆卸和維修方便。主要散熱器件均與結(jié)構(gòu)件直接接觸，其中功放單元特采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和均溫板設(shè)計(jì)，散熱效果良好。

2 設(shè)備熱設(shè)計(jì)

電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)是指對(duì)電子元件、組件以及整機(jī)的溫升控制。尤其是對(duì)高密度組裝的設(shè)備，更需注意其熱耗的排除。溫升控制的方法包含：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷、蒸發(fā)冷卻、溫差電致冷、熱管傳熱等各種形式［1］該電子設(shè)備的機(jī)載平臺(tái)要求設(shè)備自行解決散熱問(wèn)題。依據(jù)設(shè)備內(nèi)部熱耗的情況，具體如表1所示，通過(guò)估算，自然散熱不能滿足該設(shè)備的散熱需求，需考慮采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式冷卻，設(shè)備自帶風(fēng)扇提供風(fēng)源。

從表1同時(shí)可以看出，該電子設(shè)備的主要散熱集中在2個(gè)功放芯片上（中放芯片和末放芯片），根據(jù)該設(shè)備的散熱特點(diǎn)，最終選擇了局部強(qiáng)迫風(fēng)冷和自然散熱相結(jié)合的熱設(shè)計(jì)方式。由于設(shè)備尺寸限制和模塊熱耗特點(diǎn)，該電子設(shè)備選擇了一款體積小風(fēng)力足的EBM風(fēng)機(jī)。

該設(shè)備的熱設(shè)計(jì)主要集中在功放芯片散熱上，通過(guò)去掉安裝架及不必要的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

采用熱仿真軟件flotherm計(jì)算［2］，計(jì)算模型如圖 2所示，計(jì)算結(jié)果如圖 3～圖6。

由仿真分析可知，使用常規(guī)風(fēng)冷散熱，難以解決設(shè)備內(nèi)部2個(gè)功放芯片散熱問(wèn)題，由于擴(kuò)散熱阻的存在，散熱器基板溫差最大可達(dá)100℃。如果使用均溫板（即毛細(xì)散熱腔VC板），則可降低基板溫差，提高散熱利用效率。按保守的均溫板導(dǎo)熱系數(shù)（1000W/（m·K））［3］，保守的最大熱流密度（100 W/cm2）進(jìn)行仿真計(jì)算，其安裝面溫度可控制在 110～120℃左右，該設(shè)備的器件結(jié)溫/殼溫要求及計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表 2所示，考慮到所設(shè)定均溫板的數(shù)值偏保守，通過(guò)表2可以看出，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷加均溫板的方案解決設(shè)備散熱問(wèn)題是可行的。

表1 主要器件熱耗統(tǒng)計(jì)表

圖2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算模型

3 設(shè)備振動(dòng)強(qiáng)度及減重設(shè)計(jì)

由于設(shè)備裝機(jī)位置處環(huán)境條件要求嚴(yán)格，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)看，設(shè)備振動(dòng)條件相對(duì)其它設(shè)備非常惡劣，再加上設(shè)備本身要求有很高的可靠性和耐久性，該設(shè)備傾向于選擇加裝隔振系統(tǒng)。

首先簡(jiǎn)化設(shè)備模型、約束處理、網(wǎng)格劃分和設(shè)置材料參數(shù)，在不裝隔振系統(tǒng)情況下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析。得出1階模態(tài)：470.8 Hz、2階模態(tài)：702.Hz、3 階模態(tài)：875.6 Hz、4 階模態(tài)：1 043 Hz。通過(guò)模態(tài)分析可以看出，設(shè)備的1階和2階模態(tài)頻率和結(jié)構(gòu)件容易產(chǎn)生共振，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)件和內(nèi)部器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度容易造成損壞［4］，這樣就更加論證了需要加隔振系統(tǒng)的方案。

圖3 風(fēng)冷安裝基板溫度云圖

圖4 風(fēng)冷安裝散熱片溫度云圖

圖5 加均溫板風(fēng)冷基板溫度云圖

圖6 加均溫板風(fēng)冷散熱片溫度云圖

表2 器件結(jié)溫/殼溫要求及計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)設(shè)備的振動(dòng)條件定制了所需的隔振器，隔振器主要參數(shù)是：固有頻率為70Hz；最大共振放大率小于3；單只公稱載荷為 1.5 kg；隔振器單只重量為130 g。同時(shí)為滿足設(shè)備的裝機(jī)要求，還設(shè)計(jì)了設(shè)備安裝架，安裝架通過(guò)4個(gè)底部隔振器安裝于飛機(jī)平臺(tái)，而整機(jī)則通過(guò)安裝架后面的導(dǎo)銷，前面的鎖緊裝置固定在安裝架上，以實(shí)現(xiàn)快速拆卸，其整體結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖7 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)設(shè)計(jì)的隔振系統(tǒng)再次對(duì)安裝了隔振器的設(shè)備進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果如表3和圖8所示。

從表3和4圖8可以看出，安裝減振器后，設(shè)備的前3階模態(tài)以減振器3個(gè)方向的平動(dòng)振動(dòng)為主，第4階模態(tài)以減振器的水平扭振為主，其它低階模態(tài)［5］主要集中在安裝架上。扭振的發(fā)生與設(shè)備重心位置及減振器的安裝位置密切相關(guān)，如果減小減振器的安裝平面位置與系統(tǒng)重心的相對(duì)尺寸，就可以避免扭振的發(fā)生。從仿真分析來(lái)看，該振動(dòng)設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)備振動(dòng)需求。

當(dāng)然除了滿足振動(dòng)設(shè)計(jì)以外，設(shè)備還需要滿足裝機(jī)重量要求。目前綜合考慮剛度-密度比、加工性和成本等多方面因素，設(shè)備結(jié)構(gòu)材料主要采用5A06鋁。從整體看，該設(shè)備為L(zhǎng)RU設(shè)備，設(shè)備采用安裝架固定方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須受到接插件、冷板和減振器裝配及安裝諸多特殊要求的限制，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)余量很小，該設(shè)備在滿足上述設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量削減所有非重要承力部件（其中外部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和電磁屏蔽要求，預(yù)留2.5 mm左右薄板。設(shè)備內(nèi)部有3處需要考慮電磁屏蔽要求，隔板厚度暫設(shè)定為3 mm）。在此基礎(chǔ)上完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，通過(guò)對(duì)設(shè)備內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)差位移和標(biāo)準(zhǔn)差加速度的對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)幾次耦合設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)既滿足振動(dòng)設(shè)計(jì)又盡可能輕的電子設(shè)備。

表3 安裝減振器模態(tài)分析結(jié)果

圖8 安裝減振器機(jī)架結(jié)構(gòu)模態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)載電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，熱設(shè)計(jì)、振動(dòng)強(qiáng)度及減重設(shè)計(jì)已成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它們?cè)O(shè)計(jì)的好壞已成為產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵因素。本文闡述了一種機(jī)載功率放大設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)熱設(shè)計(jì)、振動(dòng)強(qiáng)度和減重設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，通過(guò)多次改進(jìn)設(shè)計(jì)并結(jié)合仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證得到最后的設(shè)計(jì)參數(shù)，為同類的機(jī)載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］ 呂永超，楊雙根.電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計(jì)及熱測(cè)試技術(shù)綜述及最新進(jìn)展［J］.電子機(jī)械工程，2007，23（1）：5-10.

［2］ 李波，李科群.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子機(jī)械工程，2008，24（3）:11-13.

［3］ 平麗浩，錢吉.電子裝備熱控新技術(shù)綜述（上）［J］.電子機(jī)械工程，2008，24（1）:1-10.

［4］ 邱成悌.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005.

［5］ Rao S S.機(jī)械振動(dòng)［M］.李欣業(yè)，張路明，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009.