王君峰，王 升，代 鋒，薛婧婧，張緩緩，付永輝

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

通用化、模塊化、互換性越來越成為星載數(shù)據(jù)處理電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向。VPX架構(gòu)是一種較適合的形式[1]。VPX是基于高速串行總線的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸帶寬高、傳輸可靠度高、互連結(jié)構(gòu)靈活可配置、產(chǎn)品壽命周期長等特點，繼承了VME標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷抗震方面的優(yōu)勢，由VME國際貿(mào)易協(xié)會組織(VITA)于2006年相繼推出，兼容Fiber Channel、PCI-Express、Rapid IO、Hyper transport等高速串行總線協(xié)議[2]。VPX總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括VITA46和REDI 加固增強(qiáng)的機(jī)械設(shè)計規(guī)范VITA48，其中VITA48是為解決VPX總線架構(gòu)的散熱問題而提出的進(jìn)一步規(guī)范，又稱為REDI-VPX，其內(nèi)容包括VITA48.0(基礎(chǔ))、VITA48.1(氣冷)、VITA48.2(傳導(dǎo)制冷)、VITA48.3(液冷)等4 個子規(guī)范[3]。星載電子設(shè)備的散熱以熱傳導(dǎo)和熱輻射為主，采用VITA48.2標(biāo)準(zhǔn)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備向著微小型化、高密度、高功率方向發(fā)展，導(dǎo)致電子設(shè)備的熱流密度劇增。這些需求對機(jī)箱以及模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來越來越嚴(yán)苛的考驗。VPX標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、互換性的的特點其尺寸以及結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了該架構(gòu)下的機(jī)箱散熱能力比較受限[4]，特別是對于星載設(shè)備更是面臨著較大挑戰(zhàn)。本文探討基于VPX架構(gòu)的高熱耗星載數(shù)據(jù)處理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 設(shè)計需求

某型號星載數(shù)據(jù)處理機(jī)由12塊子板，1塊母板組成，采用6U，1 inch尺寸參數(shù)。根據(jù)VPX規(guī)范協(xié)議，子板尺寸233.35×160 mm，子板間距25.4 mm[5]。該處理機(jī)熱耗較大，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了較大挑戰(zhàn)，其中計算板最大熱耗達(dá)到41.5 W，2塊配電板所用到的電源模塊器件總熱耗高達(dá)90 W。分機(jī)工作時，各個插板根據(jù)工作模式的不同而熱耗不同，整機(jī)最大總熱耗312 W，設(shè)備工作在最高工作溫度下，邊界溫度為45℃。

同時該數(shù)據(jù)處理機(jī)有較高的抗力學(xué)環(huán)境要求，要求整機(jī)基頻大于130 Hz，同時具有足夠的強(qiáng)度裕度，正弦振動實驗條件為頻率20～100 Hz，加速度16 g，隨機(jī)振動總均方根值為13.6 Grms。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

星載設(shè)備較為可靠的散熱方式為熱傳導(dǎo)和熱輻射，鑒于該數(shù)據(jù)處理機(jī)的高熱耗特點，其結(jié)構(gòu)設(shè)計重點和難點在于散熱設(shè)計。VPX架構(gòu)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式散熱路徑較長，散熱區(qū)域有限。各個元器件的熱首先導(dǎo)到子板邊框上，然后通過子板與機(jī)箱插槽的接觸區(qū)域?qū)崃孔罱K導(dǎo)至機(jī)箱，該接觸區(qū)域極為有限，VITA48.2中熱管理區(qū)的機(jī)械接口尺寸9.3×160 mm[6]。在換熱面積受限的情況下，發(fā)熱元器件的散熱路徑、傳熱效率的設(shè)計尤為重要。

首先，優(yōu)化布局縮短散熱路徑。該處理機(jī)2塊配電板用到多達(dá)21個電源模塊，其總熱耗將近90 W，若按照傳統(tǒng)思路將這電源模塊置于子板，單個電源板的熱耗將超過60 W，VPX架構(gòu)的插板形式無法將熱量導(dǎo)出，難以滿足器件的降額設(shè)計要求。圖1為某型號配電板VPX板卡熱仿真云圖，電源模塊器件置于子板上，子板總熱耗39.6 W，電源模塊器件殼溫度最大處達(dá)到93.4℃，不能滿足一級降額結(jié)溫小于85℃的要求。因此本文將所有電源模塊器件集中布局放置在背板下邊靠近整機(jī)安裝面的空間如圖2所示，從而減少子板散熱壓力，同時最大限度縮短電源模塊器件的散熱路徑。將子板中熱耗較高的器件布局在PCB左右兩側(cè)邊緣靠近熱管理區(qū)的位置，縮短元器件的散熱路徑。

圖1 某型號配電板熱仿真云圖 圖2 電源模塊器件下置示意圖

其次，提高散熱效率。提高散熱效率從兩方面入手，增加散熱路徑和提高散熱零部件熱導(dǎo)率。

1)機(jī)殼設(shè)計散熱凸臺，增加散熱路徑。在熱耗較大元器件對應(yīng)機(jī)殼部位設(shè)計散熱凸臺，散熱凸臺與元器件之間通過導(dǎo)熱墊填充減少接觸熱阻，元器件的散熱一方面通過PCB傳至熱交換區(qū)，另一方面通過機(jī)殼散熱凸臺傳至熱交換區(qū)，最終通過機(jī)箱側(cè)壁導(dǎo)至設(shè)備安裝面子板散熱路徑如圖3所示。

圖3 子板散熱路徑示意圖

2)選用熱導(dǎo)率高的材料鋁合金作為機(jī)箱和子板的結(jié)構(gòu)件材料，同時在子板和機(jī)箱中嵌入熱管來提高傳熱效率。熱管是一種利用介質(zhì)相變換熱實現(xiàn)熱交換的傳熱元件，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。在子板機(jī)殼熱耗較高元器件區(qū)域嵌入熱管[7]，將熱量快速導(dǎo)入熱交換區(qū)，避免熱量堆積，使得機(jī)殼局部溫度過高影響傳熱效率。機(jī)箱熱交換區(qū)域的側(cè)壁嵌入L型熱管，將機(jī)箱側(cè)壁的熱快速導(dǎo)至整機(jī)底部。

基于散熱設(shè)計的思路進(jìn)行該處理機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，子板機(jī)殼和機(jī)箱采用2A12鋁合金材料，材料剛度好，熱導(dǎo)率高。因整機(jī)尺寸較大，考慮成本以及尺寸穩(wěn)定性等因素，機(jī)箱采用拼裝式機(jī)箱，四個側(cè)板通過螺釘連接成箱體主框架，背板底座一體化加工。結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡可能提高熱交換區(qū)域的平面度和粗糙度，從而減少接觸熱阻。子板機(jī)殼的熱管采用焊接形式嵌入機(jī)殼，以增大接觸面積，減少熱管與機(jī)殼接觸熱阻。側(cè)壁熱管因裝配限制，采取壓板固定的方式安裝，安裝間隙鋪設(shè)0.508 mm厚導(dǎo)熱墊。整機(jī)及子板結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。圖中給出某一子板的模型，其余子板類似。

圖4 處理機(jī)結(jié)構(gòu)模型

3 熱仿真分析

采用FLOTHERM軟件作為分析工具，利用該軟件自帶的建模工具建立的分析網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 熱分析模型

為了提高計算速度，在不影響計算精度的前提下，分析模型適當(dāng)簡化刪除了一些幾何特征，不會影響分機(jī)內(nèi)的溫度分布。分析模型共有網(wǎng)格550萬個，網(wǎng)格最大長寬比例為38.2。

元器件建模時，均按照其實際外形尺寸建立模型，由于不清楚器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以器件本體均采用實體塊模擬，通過該模型可以準(zhǔn)確計算器件的殼溫，器件結(jié)溫按照公式(1)計算[8]。

Tj=Tc+QRj-c

(1)

其中：Tc—器件殼溫(℃)；Tj—器件的結(jié)溫(℃)；Q—元器件的熱耗(W)；Rj-c—器件結(jié)點到外殼的熱阻(℃/W)。設(shè)備工作在最高工作溫度下，即底板溫度為45℃，分機(jī)外部輻射溫度邊界為45℃，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，計算時考慮熱傳導(dǎo)和輻射，各部分溫度如圖6所示。

圖6 機(jī)箱及子板熱分析云圖

機(jī)箱最高溫度62℃，位于熱交換區(qū)的插槽處，布局于底部的電源模塊器件最高溫度74.6℃，路由板FPGA溫度最高74.7℃，計算板溫度最高器件為RHFXH1632達(dá)到77℃。對殼溫較高器件進(jìn)一步計算結(jié)溫，個別器件結(jié)溫達(dá)到79.2℃，均滿足一級降額85℃要求[7]，表明該數(shù)據(jù)處理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足散熱需求。部分元器件溫度仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分元器件溫度仿真數(shù)據(jù)

4 抗力學(xué)環(huán)境分析

該設(shè)備插板數(shù)量多，裝配復(fù)雜，相對傳統(tǒng)拼裝式設(shè)計該結(jié)構(gòu)形式剛度較差[9]，通過增加機(jī)箱主支撐結(jié)構(gòu)厚度，合理布置加強(qiáng)筋，增加聯(lián)接區(qū)域螺釘密度等方式提高整機(jī)剛度。用ANSYS18.1有限元分析軟件對整機(jī)進(jìn)行模態(tài)和隨機(jī)振動分析。

該設(shè)備與衛(wèi)星艙板間用14個M5螺釘連接，整機(jī)重量22 kg，隨機(jī)振動功率譜密度如表2所示。

表2 隨機(jī)振動試驗條件

采用體單元網(wǎng)格化分，模型單元總數(shù)326 185個，節(jié)點總數(shù)為：713 346，螺釘連接采用點焊進(jìn)行模擬，忽略倒角、螺孔等細(xì)部特征。數(shù)據(jù)處理器與衛(wèi)星艙板連接的14個點，每個點約束其6個自由度。

圖7 模態(tài)及隨機(jī)振動分析云圖

模態(tài)分析結(jié)果顯示整機(jī)基頻238 Hz，印制板一階頻率267 Hz，滿足單機(jī)基頻大于130 Hz的要求，表明整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。對三個方向進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析，整機(jī)X向隨機(jī)振動應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為163 Mpa，具有較大安全裕度。印制板Y向隨機(jī)振動應(yīng)力最大，最大響應(yīng)處應(yīng)力72 MPa，印制板的最大變形為δ=0.782 mm，對于電子設(shè)備印制板組件，相對變形極限應(yīng)小于0.006。該設(shè)備中電路板寬度b=160 mm，可得δ/b=0.004 9<0.006，變形滿足星載設(shè)備印制板變形控制要求[10]。

整機(jī)結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力：163 MPa，位于整機(jī)與衛(wèi)星艙板連接處。安全裕度：

印制電路板最大應(yīng)力：72 MPa，位于調(diào)制適配電路板與插板結(jié)構(gòu)件連接處。安全裕度：

通過對整機(jī)模態(tài)及隨機(jī)響應(yīng)分析，結(jié)果表明整機(jī)基頻238 Hz>130 Hz，安全裕度>0，各項力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)論

VPX架構(gòu)機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式對于滿足星載數(shù)據(jù)處理機(jī)高帶寬、高速度、可重構(gòu)、互換性等方面具有很大優(yōu)勢，而散熱方面限制較多。本文基于VPX架構(gòu)探討了高熱耗數(shù)據(jù)處理機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局、增加散熱路徑、提高散熱效率等思路，采用了大熱耗器件分離布局機(jī)箱底部，機(jī)殼設(shè)計散熱凸臺，機(jī)箱及子板結(jié)構(gòu)件嵌入熱管等方法，最終成功解決了總熱耗312 W，單板最大熱耗41.5 W的星載數(shù)據(jù)處理機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計難題。通過有限元力熱仿真，元器件結(jié)溫最高為79.2℃，滿足一級降額85℃要求，整機(jī)基頻238 Hz，各力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計需求。該設(shè)計方法對VPX架構(gòu)星載高熱耗電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有借鑒意義。