某宇航電源模塊的可維修性設(shè)計及熱設(shè)計

吳晟 袁承宗 張開創(chuàng) 王愛國 潘自民

摘要：文中介紹了一種宇航電源模塊的設(shè)計過程，熱設(shè)計和設(shè)計優(yōu)化手段，同時提出了考慮可維修性的可分離式設(shè)計理念。對于新研制的產(chǎn)品具有重要的參考價值。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)果表明器件滿足I級降額要求，設(shè)計合理可靠。

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

中圖分類號：TN605 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0132-01

0 引言

宇航電源模塊一般通過長螺桿和電子單機的其余模塊形成一個整體[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?？臻g真空環(huán)境下缺少對流散熱[2]，內(nèi)部器件的散熱手段主要依靠熱傳導。

電子設(shè)備在研制過程中，不可避免地會遇到返修的需求[3]，通?？紤]到散熱和電磁屏蔽的電源模塊，返修某個部件時必須解焊導線，才能分離出需要的部件。而工藝規(guī)范對于解焊導線這一操作是有明確的次數(shù)限制的[4]，超過規(guī)定的次數(shù)直接會導致產(chǎn)品報廢。

如果一個電源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足常規(guī)熱學、力學要求的前提下，如果能做到在不解焊導線的情況下，分離印制板組件和殼體零件，對于一個處在研制階段，很可能進行返修的產(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

以某電源模塊為例，如圖1所示，該模塊使用2個矩形電連接器作為對外接插件。熱耗較大的器件為6個DC/DC模塊，金屬殼體，矩形帶法蘭的封裝。這種封裝直接通過底面進行散熱?？紤]到整機結(jié)構(gòu)形式以及引線的走線空間，模塊底面的空間僅允許放置3個DC/DC模塊，所以剩余3個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)計會引入一個額外的接觸熱阻，帶來額外的器件溫升，如何減小這個環(huán)節(jié)的接觸熱阻就成了設(shè)計的重點。

2 可維修性設(shè)計優(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：對外電連接器和底面貼合冷板散熱同時和印制板相連的器件。結(jié)構(gòu)形式的限制造成印制板無法和殼體分離。

2.1 可拆卸設(shè)計方案

為了實現(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。實現(xiàn)方法有兩種：（1）框架上直接開孔，接插件板后安裝，直接露出印制板上的電連接器。這種方法常常會對對電磁屏蔽及多余物控制造成影響。（2）設(shè)計一個可拆卸的轉(zhuǎn)接板，器件安裝在轉(zhuǎn)接板上。這樣的設(shè)計會造成一定的搭接電阻和熱阻，對于電連續(xù)性和導熱性能有一定的損失，但換來了可拆卸的優(yōu)點，對于導熱和電磁屏蔽要求不高的部位比較適合。對于導熱要求高的部位，比如內(nèi)部發(fā)熱器件的散熱，則需要進一步設(shè)計，從而降低整個散熱過程的熱阻。

2.2 熱分析

在這個案例中，通過傳熱過程熱阻[5]分析來進行熱設(shè)計。一體化設(shè)計的冷板與分體設(shè)計的冷板，傳熱過程熱阻對比分析如圖2所示。

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

2.3 熱設(shè)計優(yōu)化

由于模塊的厚度足夠，可以通過空間的合理分層，在不影響印制板可用面積的條件下，增加一塊區(qū)域作為冷板進行熱傳導的接觸面，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溫升較大。因此需要設(shè)計一個散熱壓塊，利用器件頂面進行散熱。壓塊壓緊器件耳片的同時，不能保證頂面同時良好接觸，需采用導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

進行優(yōu)化設(shè)計后的模塊，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)計滿足I級降額的要求。

4 結(jié)語

當源頭的電路設(shè)計無法繼續(xù)優(yōu)化降低熱耗時，就要依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計手段來進行熱設(shè)計優(yōu)化了。分析每個環(huán)節(jié)的溫升，找出關(guān)鍵環(huán)節(jié)并盡量優(yōu)化設(shè)計，最終降低器件的殼溫。設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)時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)計的過程中一并考慮，統(tǒng)籌兼顧。

參考文獻

[1] 關(guān)振昆，徐瑞芬.一種空間電源模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].電源技術(shù)，2018，42（04）：578-582.

[2] 閔桂榮.衛(wèi)星熱控制技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，1991.

[3] 岳德周，張記偉，韓超.電子設(shè)備工藝缺陷與可靠性、維修性分析[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（12）：69-70.

[4] 中國航天科技集團公司二〇〇廠，中國航天標準化研究所起草.QJ2940A-2001，航天用印制電路板組裝件修復和改裝技術(shù)要求[S].北京：中國航天標準化研究所，2002.

[5] 楊世銘，陶文銓.傳熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

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