某宇航電源模塊的可維修性設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)

吳晟 袁承宗 張開(kāi)創(chuàng) 王愛(ài)國(guó) 潘自民

摘要：文中介紹了一種宇航電源模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程，熱設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)優(yōu)化手段，同時(shí)提出了考慮可維修性的可分離式設(shè)計(jì)理念。對(duì)于新研制的產(chǎn)品具有重要的參考價(jià)值。基于建立的仿真模型，仿真分析了器件在穩(wěn)態(tài)條件下的器件溫升。仿真結(jié)果表明器件滿(mǎn)足I級(jí)降額要求，設(shè)計(jì)合理可靠。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);熱設(shè)計(jì);電源;可維修性

中圖分類(lèi)號(hào)：TN605 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0132-01

0 引言

宇航電源模塊一般通過(guò)長(zhǎng)螺桿和電子單機(jī)的其余模塊形成一個(gè)整體[1]，由于使用環(huán)境的特殊性，一般情況下不可維修，具有極高的可靠性要求。空間真空環(huán)境下缺少對(duì)流散熱[2]，內(nèi)部器件的散熱手段主要依靠熱傳導(dǎo)。

電子設(shè)備在研制過(guò)程中，不可避免地會(huì)遇到返修的需求[3]，通常考慮到散熱和電磁屏蔽的電源模塊，返修某個(gè)部件時(shí)必須解焊導(dǎo)線(xiàn)，才能分離出需要的部件。而工藝規(guī)范對(duì)于解焊導(dǎo)線(xiàn)這一操作是有明確的次數(shù)限制的[4]，超過(guò)規(guī)定的次數(shù)直接會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

如果一個(gè)電源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足常規(guī)熱學(xué)、力學(xué)要求的前提下，如果能做到在不解焊導(dǎo)線(xiàn)的情況下，分離印制板組件和殼體零件，對(duì)于一個(gè)處在研制階段，很可能進(jìn)行返修的產(chǎn)品而言，有著非常重要的意義。

1 內(nèi)部器件組成及布局設(shè)計(jì)

以某電源模塊為例，如圖1所示，該模塊使用2個(gè)矩形電連接器作為對(duì)外接插件。熱耗較大的器件為6個(gè)DC/DC模塊，金屬殼體，矩形帶法蘭的封裝。這種封裝直接通過(guò)底面進(jìn)行散熱。考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)形式以及引線(xiàn)的走線(xiàn)空間，模塊底面的空間僅允許放置3個(gè)DC/DC模塊，所以剩余3個(gè)DC/DC模塊則需要放在直接和模塊散熱底面相連的側(cè)壁上，傳熱路徑略微增加。

另外幾個(gè)發(fā)熱器件，均為帶法蘭的金屬殼體封裝，散熱面為底面。這種結(jié)構(gòu)形式由于底面有引腳的存在，不能安裝在殼體最外側(cè)的表面，需要安裝在內(nèi)部散熱冷板上，將熱量傳導(dǎo)至外殼，最終從把熱量傳遞到散熱底面。考慮到可維修性，則要求器件與殼體可拆。而冷板和殼體可分離的設(shè)計(jì)會(huì)引入一個(gè)額外的接觸熱阻，帶來(lái)額外的器件溫升，如何減小這個(gè)環(huán)節(jié)的接觸熱阻就成了設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2 可維修性設(shè)計(jì)優(yōu)化

通常，限制住印制板組件和殼體零件拆分的結(jié)構(gòu)，主要有兩種情況：對(duì)外電連接器和底面貼合冷板散熱同時(shí)和印制板相連的器件。結(jié)構(gòu)形式的限制造成印制板無(wú)法和殼體分離。

2.1 可拆卸設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)印制板的完全可拆卸，就要保證印制板上的所有器件與框架可拆卸。實(shí)現(xiàn)方法有兩種：（1）框架上直接開(kāi)孔，接插件板后安裝，直接露出印制板上的電連接器。這種方法常常會(huì)對(duì)對(duì)電磁屏蔽及多余物控制造成影響。（2）設(shè)計(jì)一個(gè)可拆卸的轉(zhuǎn)接板，器件安裝在轉(zhuǎn)接板上。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)造成一定的搭接電阻和熱阻，對(duì)于電連續(xù)性和導(dǎo)熱性能有一定的損失，但換來(lái)了可拆卸的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于導(dǎo)熱和電磁屏蔽要求不高的部位比較適合。對(duì)于導(dǎo)熱要求高的部位，比如內(nèi)部發(fā)熱器件的散熱，則需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)，從而降低整個(gè)散熱過(guò)程的熱阻。

2.2 熱分析

在這個(gè)案例中，通過(guò)傳熱過(guò)程熱阻[5]分析來(lái)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。一體化設(shè)計(jì)的冷板與分體設(shè)計(jì)的冷板，傳熱過(guò)程熱阻對(duì)比分析如圖2所示。

與一體化設(shè)計(jì)相比，由于導(dǎo)熱路徑近似，則R3+R5與R1基本相同，接觸熱阻R2與R6相等，而分體設(shè)計(jì)的熱阻增加了一個(gè)接觸熱阻R4故需要通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)盡可能減小多出的R4，降低接觸熱阻所造成的影響。

2.3 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于模塊的厚度足夠，可以通過(guò)空間的合理分層，在不影響印制板可用面積的條件下，增加一塊區(qū)域作為冷板進(jìn)行熱傳導(dǎo)的接觸面，從而減小冷板和殼體間的接觸熱阻。

由于mos管器件本身體積較小，散熱的接觸面較小，故熱流密度較大，僅僅依靠底面散熱的話(huà)溫升較大。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)散熱壓塊，利用器件頂面進(jìn)行散熱。壓塊壓緊器件耳片的同時(shí)，不能保證頂面同時(shí)良好接觸，需采用導(dǎo)熱填隙材料填充壓塊和器件頂面之間的間隙，如圖3所示。

3 仿真分析

進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的模塊，環(huán)境溫度55℃條件下，器件最高結(jié)溫為75.5℃，該模塊的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足I級(jí)降額的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)源頭的電路設(shè)計(jì)無(wú)法繼續(xù)優(yōu)化降低熱耗時(shí)，就要依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段來(lái)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)優(yōu)化了。分析每個(gè)環(huán)節(jié)的溫升，找出關(guān)鍵環(huán)節(jié)并盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，最終降低器件的殼溫。設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)時(shí)需注意是否有可拆卸的需求，如調(diào)試需要、轉(zhuǎn)接板安裝需要等，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中一并考慮，統(tǒng)籌兼顧。

參考文獻(xiàn)

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Maintainability Design and Thermal Design of? a Space Power Adapter Module

WU Sheng，YUAN Cheng-zong，ZHANG Kai-chuang，WANG Ai-guo，PAN Zi-min

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai? 201109）

Abstract：The design for a space power adapter module is introduced in this paper， including structure design procedures， thermal design and optimization methods. The concept of separable designing is also implemented， which results in higher maintainability， and is of great significance in guiding new projects in the future. Based on the simulation model， the temperature of working electric units is analyzed in the steady situation. The results show that all the electric units meet the demands of the derating rules level I， which means this design work is reasonable and reliable.

Key words：structural design; thermal design; power adapter; maintainability