疊層結(jié)構(gòu)雙余度電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案論證

文雯 趙亮 張理達(dá)

摘要：機(jī)載電子設(shè)備中影響飛行安全的系統(tǒng)裝置應(yīng)具有至少雙余度，以確保控制有效安全。本文針對疊層結(jié)構(gòu)雙余度電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，從重量、耐振動(dòng)性、維修性、保障性、設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面對三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對比分析，建立了應(yīng)力仿真計(jì)算模型，進(jìn)行電子設(shè)備的耐振動(dòng)性能仿真分析，以驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對電子模塊耐振動(dòng)性能的影響。

關(guān)鍵詞：雙余度;疊層結(jié)構(gòu);電子設(shè)備;設(shè)計(jì)方案

1 引言

機(jī)載電子設(shè)備中影響飛行安全的系統(tǒng)裝置應(yīng)具有至少雙余度，以確保控制有效安全。有余度要求的電子設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)通道之間電氣隔離，其設(shè)計(jì)和構(gòu)成需保證在一個(gè)通道中（包括系統(tǒng)部件、電源、電氣/機(jī)械傳輸路徑）的故障不應(yīng)影響其他任何通道，組成電子設(shè)備的各內(nèi)部通道均應(yīng)設(shè)計(jì)有獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換功能、處理器、總線接口、外部系統(tǒng)交聯(lián)接口等。要想真正實(shí)現(xiàn)電氣電子設(shè)備各方面性能良好這一點(diǎn)，就一定要確保電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性[1]。

2 雙余度設(shè)計(jì)

對于雙余度采集和控制系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)，電子設(shè)備的基本物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部雙余度系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)定每個(gè)通道的單獨(dú)工作能力。電子設(shè)備物理上應(yīng)為1個(gè)機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)應(yīng)包含2個(gè)獨(dú)立通道，即單機(jī)箱雙余度配置，具備單通道獨(dú)立工作能力。

2.1 設(shè)計(jì)方案論證

整機(jī)采用封閉結(jié)構(gòu)，用金屬殼體將電氣模塊完全包裹;根據(jù)元器件功耗，模塊外表面可設(shè)計(jì)散熱肋條，以增強(qiáng)散熱效率。模塊元器件產(chǎn)生的熱量通過印制板表面覆銅層傳導(dǎo)至機(jī)箱的側(cè)壁上散到外面，部分元器件自帶散熱焊盤，可以通過將器件焊接在印制板表面的覆銅層上增大散熱面積;大功耗元器件排布于整機(jī)頂層和底層，靠近機(jī)箱側(cè)壁。整機(jī)熱量的傳遞過程示意見下圖。

2.1.1 方案一

電子設(shè)備內(nèi)部由3個(gè)模塊組成：模塊A（1塊）、模塊B（1塊）、模塊C（1塊）。每種模塊具備2個(gè)獨(dú)立工作的通道，方案一對應(yīng)的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)如下圖所示。

特點(diǎn)分析：模塊種類、數(shù)量少，拆裝相對方便，便于維護(hù)管理;缺點(diǎn)在于，模塊規(guī)模過大，模塊板面積過大，集成度過高。最終會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度可靠性差、排故成本過高、PCB布線質(zhì)量差、損壞成本高等問題。因模塊面積大，勢必導(dǎo)致整機(jī)尺寸大，重量偏重。

2.1.2 方案二

電子設(shè)備內(nèi)部由6個(gè)模塊組成：模塊A（2塊）、模塊B（2塊）、模塊C（2塊）。方案二對應(yīng)的電子設(shè)備外形結(jié)構(gòu)與方案一類似，區(qū)別僅在于每種模塊拆分為2個(gè)完全相同的單通道獨(dú)立工作的模塊，兩個(gè)通道并列排布，如下圖所示。

特點(diǎn)分析：降低了各模塊的復(fù)雜度;單模塊面積較小;整體外形尺寸及重量與方案一相當(dāng)，整機(jī)尺寸大，重量偏重。

2.1.3 方案三

電子設(shè)備內(nèi)部由7個(gè)模塊組成：模塊A（2塊）、模塊B（2塊）、模塊C（2塊）、模塊D（1塊）。每種模塊拆分為2個(gè)完全相同的單通道獨(dú)立工作的模塊，兩個(gè)通道垂直排布，如下圖所示。

方案3的安裝面積尺寸可以做到最小，同時(shí)通過疊層結(jié)構(gòu)最大限度地減小結(jié)構(gòu)件重量，其外形結(jié)構(gòu)如下圖所示。

特點(diǎn)分析：降低了模塊復(fù)雜度，各模塊功能獨(dú)立;降低設(shè)計(jì)難度及后期工作復(fù)雜度;單模塊面積較小，縮小了整機(jī)尺寸，減輕了結(jié)構(gòu)件重量。

2.1.4 方案對比分析

三種方案設(shè)備的一階模態(tài)對比如下表所示。

從重量、維修性、保障性、設(shè)計(jì)復(fù)雜度等方面對三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)論

雙余度電子設(shè)備采用單通道模塊設(shè)計(jì)并垂直堆疊時(shí)，在整機(jī)重量、強(qiáng)度等方面具有較明顯的優(yōu)勢，適應(yīng)了高新科技的發(fā)展對電子設(shè)備提出的體積更小、重量更輕、高密度組裝的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳達(dá)波.電氣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析[J].電腦迷，2017，07：140-141.

作者簡介：文雯（1985-），女，工程師，主要從事機(jī)載、彈載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。