電子設備的結構模塊化設計方法及應用

呂世義

摘要：電子設備一般可以分為若干個功能模塊，在對電子設備進行設計的過程中，可以按照模塊化的設計原則，分別對電子設備的各個組成部分進行設計。在介紹電子設備的各個組成結構之后，闡述各個結構模塊的設計方法，并介紹結構模塊化設計方法的相關應用情況。

關鍵詞：電子設備;結構;模塊化;設計方法

引言

隨著對電子設備性能要求的提高，電子設備中的各個組成結構，需要進行合理的設計。以電子設備中的VPX散熱冷板為例，隨著電子元件集成度越來越高，熱流密度越來越大，風冷冷板在很多情況下已經不能滿足散熱要求，電子液冷冷板已經開始普遍使用。目前的電子液冷冷板有鑲管式、打孔式及內翅片式，其中前兩者存在重量重、厚度大且換熱效果差的缺點，而隨著電子元件集成度不斷增長，熱流密度越來越大，對于電子液冷冷板的散熱要求也越來越高，現在的普通電子液冷冷板不能更好地滿足電子元件散熱的要求，所以要加強對電子設備的結構模塊化設計。

一、電子設備的結構

電子設備在組成結構上，包括TR組件、VPX散熱冷板、VPX機箱散熱模塊等，各個組成模塊相互間協調運行，保證電子設備能夠正常工作。以TR組件為例，TR組件具有集成度和模塊化程度高的特點，由于端口位置單調分布，考慮到整機陣列式排布的方式使用，需要將若干組件疊層放置，由專用的波控電路統一控制，必然會導致模塊集成度高，而整機集成度相對低的特點。整機設計時一般會將高集成度與精細化的壓力往組件方面側重，努力壓縮組件體積的同時要求增加組件功能。

二、電子設備各模塊的功能

電子設備中的各個組成模塊都具有相應的功能，以下分別介紹電子設備中的TR組件、VPX機箱散熱模塊、VPX散熱冷板等組成結構的功能，對于電子設備的結構模塊化設計具有一定的指導意義

1.TR組件

對于TR組件，即用于發送和接收的組件，里面有很多組成構件，如微波組件，這種組件中包括了多種不同類型的微波元件，目前已經應用在多個不同的場合中。傳統意義上的TR組件，其中一端用來接收信號，可以采用天線接收的方式，另外一端接處理單元，形成一個通過無線通信方式構成的通信系統。隨著電子設備中TR組件制造技術的提高和進步，可以采用多通道的數字化的TR組件，這種類型的TR組件包括芯片、時鐘模塊、收發接口等，各個模塊統一為一個整體，相互間協調運行。

2.VPX機箱散熱模塊

對于VPX機箱散熱模塊，VPX系統具有明顯的特點，首先是在總線的寬度方面進行了提升，從而增加了VPX機箱的整體散熱性能，并且提高了VPX機箱散熱運行的可靠性。影響VPX機箱散熱系統的散熱性能的因素主要包括VPX機箱散熱的表面積、所采用的材料，以及VPX機箱散熱運行的環境下的溫度差等。在VPX機箱散熱模塊中的熱管，熱管中充滿了液體，當液體受熱后蒸發，從而可以帶走一部分熱量。同時，所蒸發出的蒸汽可以流入熱管中進行冷凝，從而形成一個閉環的整體。

3.VPX散熱冷板

電子元件設置于上蓋板的一側，電子元件工作時，主要通過進出液接頭通入冷卻介質帶走電子元件散出的熱量，翅片可以增加冷板的傳熱系數和傳熱面積。當冷卻介質無法滿足電子元件的散熱要求時，冷板的表面溫度開始增加，當增加到相變材料的相變溫度時，相變材料開始產生相變，通過相變的溶化潛熱吸收大量的熱量，降低冷板的表面溫度，從而保證電子元件的正常工作。

三、電子設備的模塊化設計方法

TR組件的設計：對于TR組件的設計，在封裝方法方面，可以按照以下步驟進行：將TR組件劃分為微波電路、數字電路和電源電路三種類型電路;將電路板對應劃分為微波層、數字層和供電層三種電路層;三種類型電路的電路走線分別置于不同的電路層上面，不同類型的電路層之間采用地層隔離;不同類型的電路層之間通過密集通孔的方式互聯;TR組件的收發單元采用微波數字芯片;TR組件收發單元的器件密封至收發腔體之內，采用這種方法可以突破多層微波復合基板仿真建模，具有較高的集成度、隔離度和可靠性。

VPX機箱散熱結構設計：對于VPX機箱散熱結構設計，可以采用機箱、熱管和散熱件，機箱與散熱件相互分隔，熱管的蒸發段容納于機箱壁內并與機箱壁連接，熱管的冷凝段容納于散熱件內并連接散熱件。機箱與散熱件通過熱管連接，利用了熱管的相變原理，能在極小的溫差下將機箱的部分發熱量傳遞至散熱件中，并且由于機箱與散熱件分隔布置，兩者分別遵循自身的散熱效率限制而不互相影響，因此散熱結構的散熱能力相對于原來單個機箱大大增加，突破單純在機箱表面設計翅片的極限散熱量。

電子元件的散熱冷板：對于電子元件的散熱冷板，可以由上至下依次設置真空釬焊為一體的上蓋板、上框封條、隔板、下框封條和下蓋板，其中上框封條的內部設有與上框封條高度一致的翅片，該翅片的內部設有冷卻介質流道，上框封條上設有與冷卻介質流道相通的進液接頭和出液接頭，下框封條的內部填充有相變材料并且在下框封條上設有工藝孔。這樣設計具體有以下幾點有點：一是重量輕、結構緊湊、成本低、加工簡單;二是保證冷板表面溫度低于電子元件的最高允許溫度，保護電子元件防止被燒壞;三是相對于傳統的冷板，傳熱性能更加優良，換熱效率更高。

四、結構模塊化設計的優點

（1）減輕了設計者的勞動量，提高了設計效率。模塊，化設計避免重復性設計工作，使設計者把精力重點用于改進和完善設計方面！縮短了設計周期。

（2）能夠降低加工成本！提高產品的競爭力，模塊化的結構設計，使零部件具有了通用性，可以系列化批量生產，也便于同一系列產品使用相同的模具，使成本降低。

（3）便于設備維修與調試。對于故障模塊！可以實現快速更換，對于設計了冗余模塊的產品，各個模塊相對獨立，更換故障模塊不影響設備正常工作！產品的可靠性也大幅提高。

（4）抗惡劣環境能力提高。比如，對于電磁敏感部分設計成單獨的模塊進行電磁屏蔽，對于產品相互干擾的部分設計成分開的模塊進行隔離。

五、電子設備模塊化設計的應用

電子設備采用模塊化的設計方法之后，由于電子設備實際的應用環境有所不同，可以根據電子設備的實際運行情況，對電子設備的設計方案加以改進，以使電子設備能夠更好地運行。如為了提高VPX機箱散熱結構的散熱效果，可以對散熱結構進行改進，VPX機箱內設有內導熱件，內導熱件為內部熱管，內部熱管分別連接端壁和側壁。由于機箱自身具有擴散熱阻，所以流經機箱側壁散失的熱量較小，若在側壁增加散熱翅片，實際上對于機箱散熱的改善作用相對機箱端壁要小，因此將端壁的熱量通過內部熱管的相變原理傳遞至側壁上，充分利用機箱整體來散熱，提高散熱效果。

結束語：電子設備在投入實際生產前，需要進行合理的規劃設計，一般可以采用模塊化的設計思想，將電子設備按照功能的不同劃分為不同的組成模塊，分別進行設計，最后組裝成為一個整體。本文所分析的電子設備的模塊化設計方法，對于提高電子設備的設計制造水平具有一定的價值。

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