空間相機(jī)電控箱熱設(shè)計(jì)

陳治洲，曹開(kāi)欽，繆 斌，柴孟陽(yáng)，劉書(shū)鋒，孫德新，劉銀年

空間相機(jī)電控箱熱設(shè)計(jì)

陳治洲1,2，曹開(kāi)欽1，繆 斌1，柴孟陽(yáng)1，劉書(shū)鋒1，孫德新1,2，劉銀年1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對(duì)某空間高光譜相機(jī)電控箱內(nèi)同時(shí)存在高功率器件和經(jīng)篩選后溫度魯棒性較低的工業(yè)級(jí)芯片的情況，對(duì)電控箱進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)。除了對(duì)箱體進(jìn)行表面發(fā)黑、填充導(dǎo)熱材料外，對(duì)電控箱內(nèi)各個(gè)單板設(shè)計(jì)了“日”字型金屬導(dǎo)熱框架，在敏感芯片頂部增加了導(dǎo)熱銅片。為驗(yàn)證散熱設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)電控箱基于Icepak軟件進(jìn)行了建模分析，仿真結(jié)果顯示最高溫度為75.6℃，小于85℃，散熱方案滿足指標(biāo)要求。最后對(duì)電控箱進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，熱控設(shè)計(jì)合理。

電控箱熱設(shè)計(jì)；Icepak；空間相機(jī)

0 引言

電子產(chǎn)品在朝著高速度、高密度、小型化發(fā)展的同時(shí)，電子元器件的功耗也不斷升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備中的各種元件的故障率隨著自身溫度的升高而成指數(shù)關(guān)系變化，其失效原因有55%歸結(jié)于溫度超過(guò)器件規(guī)定值[1]。

一般電子產(chǎn)品在散熱設(shè)計(jì)時(shí)，除對(duì)系統(tǒng)的布局精心設(shè)計(jì)外，主要采用風(fēng)冷或水冷等主動(dòng)散熱的方式。在空間環(huán)境下，太陽(yáng)輻射、真空條件和深空4K冷背景都對(duì)電子系統(tǒng)正常環(huán)境溫度造成極大挑戰(zhàn)，對(duì)空間相機(jī)電子設(shè)備進(jìn)行可靠的熱設(shè)計(jì)，實(shí)施有效的熱控方案是提高設(shè)備工作可靠性的關(guān)鍵措施[2]?？臻g電子系統(tǒng)的一般熱控措施有：①外層包裹多層隔熱材料用于抑制太陽(yáng)熱輻射和空間背景冷輻射；②在系統(tǒng)的恰當(dāng)位置放置加熱電阻，控制加熱電阻的開(kāi)關(guān)，保證系統(tǒng)工作的合適溫度范圍；③機(jī)構(gòu)表面氧化發(fā)黑處理，使系統(tǒng)內(nèi)部輻射換熱均勻分布；④視具體情況用導(dǎo)熱硅脂增加不同部位傳導(dǎo)散熱，用玻璃鋼抑制傳導(dǎo)散熱；⑤在系統(tǒng)內(nèi)局部高溫區(qū)域，采用熱管向深冷背景輻射散熱。此外還有空氣射流散熱[3]、智能熱控涂層[4]、空間熱開(kāi)關(guān)[5]等新型熱控技術(shù)。

在衛(wèi)星壽命后期，由于熱控電子元件老化和熱控涂層退化[6]等原因，衛(wèi)星的熱控能力將會(huì)下降，有可能造成系統(tǒng)出現(xiàn)局部高溫，由此造成的部分敏感芯片失效會(huì)成為衛(wèi)星壽命的短板。本文在某高光譜衛(wèi)星整體熱控的基礎(chǔ)上，對(duì)電控箱局部溫控進(jìn)行分析。

電控箱內(nèi)不僅存在電源芯片等高功率器件，還存在溫度上限只有85℃的敏感芯片。采用建模仿真和實(shí)際熱真空試驗(yàn)的方法分析驗(yàn)證了在衛(wèi)星整體熱控能力退化，導(dǎo)致電控箱環(huán)境溫度為45℃的情況下，電控箱內(nèi)部最高溫度＜85℃，低于敏感芯片正常工作溫度的上限。

1 電控箱熱設(shè)計(jì)

電控箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部總共包含8塊電路板，其中一塊遙測(cè)遙控電路板，主要是用于讀取各測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)溫信號(hào)、各供電接口電壓信號(hào)、制冷機(jī)和下位機(jī)及數(shù)據(jù)通道的電流信號(hào)，將讀取的遙測(cè)信號(hào)傳輸至下位機(jī)；一塊電源分配電路板，根據(jù)星上數(shù)管電路的指令需求，完成星上一次電源的接口和二次電源的供配電的產(chǎn)生；兩塊下位機(jī)電路板，其中一塊為備用電路板，通過(guò)1553B總線接口電路與星上數(shù)傳實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的收發(fā)，同時(shí)還包含遙測(cè)遙控接口電路、422總線接口電路等模塊；4塊壓縮電路板，其中兩塊為備用電路板，通過(guò)串行總線接口接收相機(jī)通道的圖像數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌實(shí)時(shí)壓縮處理后傳輸至星上數(shù)傳模塊。敏感芯片存在于最右端壓縮電路板上，與一般航天級(jí)芯片工作溫度上限為125℃不同，敏感芯片的溫度上限為85℃。在衛(wèi)星壽命后期，由于整星熱控能力下降，敏感芯片的可靠性有可能成為整星壽命的短板。

圖1 電控箱結(jié)構(gòu)圖

電控箱箱體材料為鋁合金，箱體內(nèi)外表面除與整星機(jī)構(gòu)相固定的接觸面外都做了陽(yáng)極氧化發(fā)黑處理，處理后發(fā)黑表面的發(fā)射率為0.88，較高的發(fā)射率可以使電控箱與其內(nèi)部單板和外部整星腔體之間通過(guò)輻射更好地進(jìn)行熱交換，使局部溫度更加穩(wěn)定。

電控箱底部固定在整星機(jī)構(gòu)的支架上，箱體與支架的接觸面上涂導(dǎo)熱硅脂，增加電控箱與支架的傳導(dǎo)傳熱。在電控箱的頂部和側(cè)面黏貼加熱電阻片，通過(guò)開(kāi)關(guān)加熱電阻把電控箱外表面溫度控制在25±5℃。

為每一塊電路板分別設(shè)計(jì)了“日”字型框架，框架不僅可以起到固定電路板，防止震動(dòng)損壞的作用，還可以作為電路板的散熱路徑。框架與電路板通過(guò)螺絲固定，在框架和電路板的接觸面上涂導(dǎo)熱硅脂。將框架向高功率芯片的安裝區(qū)域延展，高功率芯片產(chǎn)生的熱量可以沿著芯片→PCB板→框架→機(jī)殼的導(dǎo)熱路徑散去，防止導(dǎo)致的溫度上升影響敏感芯片。壓縮電路的“日”字型框架如圖2所示，框架的延展部分位于高功率芯片的PCB背面。

圖2 壓縮電路的“日”字型框架

同時(shí)在敏感芯片的頂端增加了導(dǎo)熱銅片，敏感芯片自身產(chǎn)生的熱量可以沿著芯片→導(dǎo)熱銅片→框架→機(jī)殼的導(dǎo)熱路徑散去。同樣，敏感芯片和導(dǎo)熱銅片的接觸面上涂滿導(dǎo)熱硅脂。

2 建模仿真分析

熱能傳導(dǎo)主要有3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射?？臻g環(huán)境下電控箱內(nèi)不存在熱對(duì)流介質(zhì)，只能以熱傳導(dǎo)和熱輻射方式散熱。其中熱傳導(dǎo)計(jì)算表達(dá)式為：

式中：0為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)；為系統(tǒng)發(fā)射率；12為兩個(gè)換熱表面的角系數(shù)；1和2分別為兩個(gè)表面的絕對(duì)溫度。

通過(guò)建模仿真可以方便的確定熱設(shè)計(jì)方案是否滿足指標(biāo)的要求，從而決定是否需要對(duì)熱控方案進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了熱設(shè)計(jì)的效率。熱仿真技術(shù)已成為電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，目前常用的熱仿真軟件主要有：Icepak、Ideas-TMG，這里選擇ANSYS公司的Icepak作為仿真軟件。Icepak使用ANSYS Flunt作為求解器，具有魯棒性好、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在ANSYS Workbench平臺(tái)下可以進(jìn)行電子產(chǎn)品的多物理場(chǎng)耦合模擬，反映產(chǎn)品的EMC分布、熱流熱性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性等[7]。

首先將Solidwoks中電控箱的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Workbench平臺(tái)，刪除螺絲、螺母、墊片、套管等不影響散熱的結(jié)構(gòu)。將電控箱的外殼視為仿真的邊界條件，當(dāng)衛(wèi)星壽命后期熱控能力下降時(shí)，取45℃為電控箱機(jī)殼最惡劣溫度，即電控箱機(jī)殼溫度設(shè)為固定值45℃。

外殼和“日”字型框架的材料為鋁合金；芯片頂部導(dǎo)熱銅片材料為銅；PCB板材料為FR4與銅箔的層疊結(jié)構(gòu)，層數(shù)和布線密度的不同會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱率的不同，這里簡(jiǎn)化為固定值；不同芯片封裝材料不同，但本文并不探討芯片內(nèi)部熱傳導(dǎo)問(wèn)題，芯片模塊材料統(tǒng)一設(shè)置。不同模型結(jié)構(gòu)相應(yīng)材料的熱特性如表1所示。由于芯片引腳數(shù)量以及封裝外殼材料不同，芯片向PCB傳導(dǎo)熱阻根據(jù)不同芯片進(jìn)行調(diào)整，芯片頂部與導(dǎo)熱銅片間導(dǎo)熱硅脂的熱阻根據(jù)芯片頂面的面積調(diào)整。

表1 材料熱特性

電控箱的主要高功率芯片和敏感芯片的功率如表2所示，高功率芯片為電源芯片。另外在敏感芯片附近功率較小芯片所產(chǎn)生的熱量對(duì)敏感芯片溫度也會(huì)產(chǎn)生影響，所以也被考慮在內(nèi)。

PCB板、芯片、導(dǎo)熱銅片及結(jié)構(gòu)框架均采用block模型，根據(jù)表1及表2分別編輯各個(gè)block模型的材料熱特性和功率。

表2 芯片模型的功率

將仿真計(jì)算區(qū)域的流體環(huán)境設(shè)置為真空，關(guān)閉對(duì)流計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行Mesher-HD網(wǎng)格劃分。異形CAD幾何體只能采用基于Mesher-HD的有限元網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示，經(jīng)檢查模型網(wǎng)格劃分符合要求。

圖3 電控箱網(wǎng)格劃分

對(duì)劃分后的模型進(jìn)行有限元計(jì)算，電控箱的溫度場(chǎng)分布如圖4所示，由圖可見(jiàn)電控箱的最高溫度為75.60℃，小于敏感芯片上限溫度值。

圖4 電控箱溫度場(chǎng)

為利于傳導(dǎo)散熱，將機(jī)箱的DC/DC芯片放置在機(jī)箱左右兩側(cè)內(nèi)壁上，所以最右側(cè)的壓縮電路板最易產(chǎn)生局部高溫。最右側(cè)壓縮電路板表面溫度場(chǎng)分布如圖5所示，溫度峰值位于圖的右下側(cè)，溫度峰值附近區(qū)域芯片密度較高，各自產(chǎn)生的熱量相互疊加?？砂l(fā)現(xiàn)電控箱的溫度峰值就是此處，溫度峰值并未達(dá)到敏感芯片的溫度上限，仿真表明熱控實(shí)施方案有效。

在電控箱選擇5處溫度監(jiān)控點(diǎn)，其中包括敏感芯片頂部A1、壓縮電路板其他點(diǎn)A2～A4、壓縮電路板“日”字型框架中梁A5。監(jiān)控點(diǎn)高溫穩(wěn)態(tài)溫度如表3。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為檢驗(yàn)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，確認(rèn)熱控實(shí)施方案的合理性，對(duì)電控箱進(jìn)行了熱真空試驗(yàn)。將電控箱放入真空加熱罐，通過(guò)電纜連接罐內(nèi)電控箱和罐外測(cè)試電腦，電纜用于控制電控箱工作狀態(tài)和反饋測(cè)量信號(hào)。

圖5 壓縮電路溫度場(chǎng)

表3 模型測(cè)溫點(diǎn)溫度

罐內(nèi)真空度優(yōu)于6.65×10－3Pa，罐內(nèi)熱真空溫度控制在45±2℃。如圖6所示，在電控箱上與仿真溫度監(jiān)控點(diǎn)相同的位置放置測(cè)溫電阻（B1～B5）。

圖6 電控箱放置測(cè)溫電阻

另外在電控箱的外殼不同部位再放置2個(gè)測(cè)溫電阻（C1，C2），兩個(gè)測(cè)溫電阻在真空罐45℃高溫保持狀態(tài)下顯示電控箱外殼的溫度分別為45.21℃和45.17℃。這表明將電控箱外殼視為邊界，溫度取固定值，與實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)的真實(shí)情況相符合。

電控箱內(nèi)5個(gè)測(cè)溫電阻顯示溫度值如表4所示。表4所示與表3所示仿真結(jié)果相一致，表明了建模的準(zhǔn)確性，也表明了熱控方案符合設(shè)計(jì)要求。

表4 電控箱內(nèi)測(cè)溫值

通過(guò)上傳指令控制電控箱工作在不同狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果表明電控箱在不同狀態(tài)下都能正常工作，敏感芯片在45℃熱真空環(huán)境能正常工作。

4 結(jié)論

本文針對(duì)的某高光譜遙感衛(wèi)星電控箱熱控溫度為25±5℃，假定熱控能力下降情況下電控箱工作環(huán)境溫度為45℃，而電控箱內(nèi)敏感芯片工作溫度上限為85℃。除一般的熱控措施外，對(duì)PCB增加了“日”字型導(dǎo)熱框架，敏感芯片頂部增加了導(dǎo)熱銅片。通過(guò)基于Icepak建模仿真和熱真空試驗(yàn)，驗(yàn)證了即使在環(huán)境溫度惡化到45℃的情況下，敏感芯片最高溫度為75.6℃，能夠正常工作，不會(huì)成為衛(wèi)星整體壽命的短板。

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Thermal Design of Electric Cabinet for Space Cameras

CHEN Zhizhou1,2，CAO Kaiqin1，MIAO Bin1，CHAI Mengyang1，LIU Shufeng1，SUN Dexin1,2，LIU Yinnian1,2

(1.,,,200083,; 2.,100049,)

Electric cabinets of space hyperspectral cameras contain high power electric components as well as industrial grade chips that can withstand low temperature. This makes it imperative to develop an appropriate thermal design for such cabinets. In addition to surface black oxidation and filling of the cabinet using materials of high thermal conductivity, we have designed “日”-shaped metal frameworks with high thermal conductivity for each printed circuit board in the cabinet, and added copper sheets on top of the sensitive chips. Modeling was performed using Icepak to evaluate the effectiveness of the thermal design scheme. The simulation results reveal a maximum temperature of 75.6℃, which is less than 85℃. This indicates that our thermal scheme satisfies the requirements of the indicator. In addition, we have performed thermal vacuum tests of the electric cabinet. The experimental results are in good agreement with the simulation results, thereby validating the effectiveness of our thermal design.

thermal design of electric cabinet，Icepak，space camera

TN216

A

1001-8891(2017)10-0880-04

2016-11-10；

2017-01-09.

陳治洲（1988-），男，浙江溫州人，博士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)/電源完整性、熱分析。E-mail：chenzhiz88@163.com。

劉銀年（1971-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦吖庾V遙感成像技術(shù)。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（A0106/1112）；國(guó)家863計(jì)劃（2014AA123202）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0500401）。