某高碼率通信終端處理機(jī)熱設(shè)計(jì)與仿真分析*

艾平貴，王 宇

某高碼率通信終端處理機(jī)熱設(shè)計(jì)與仿真分析*

艾平貴，王 宇

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

處理機(jī)是飛行器高碼率通信終端核心電子設(shè)備，處理機(jī)穩(wěn)定性與可靠性的高低直接關(guān)系到整個(gè)終端系統(tǒng)設(shè)備的可靠性工作。介紹高碼率通信終端處理機(jī)熱設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與方法，針對(duì)不同的功率器件和組件，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，探索合理的散熱途徑，特別是許多熱耗較大的功率器件的熱設(shè)計(jì)。通過熱仿真分析，優(yōu)化熱設(shè)計(jì)方案，控制每個(gè)器件的溫升滿足設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行了熱真空、熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證。

處理機(jī)；熱設(shè)計(jì)；熱仿真；導(dǎo)熱板；熱管；熱試驗(yàn)

引 言

隨著飛行器技術(shù)發(fā)展，要求設(shè)備功能越來越強(qiáng)大，同時(shí)體積越來越小、重量越來越輕，而設(shè)備功耗卻越來越大，功率密度不斷提高，通過金屬結(jié)構(gòu)框架接觸導(dǎo)熱的傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)難以滿足散熱要求，因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的散熱方式、建立電子元器件有效的導(dǎo)熱通路就顯得至關(guān)重要。處理機(jī)是飛行器高碼率通信終端的核心電子設(shè)備，主要由調(diào)制解調(diào)模塊、激光收發(fā)模塊、綜合接口與伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊以及供配電模塊組成，每個(gè)模塊均含有較多的功率器件，有些器件對(duì)溫度反應(yīng)比較敏感，還有部分安裝緊湊的內(nèi)部小功率器件在很多試驗(yàn)環(huán)節(jié)不易檢測(cè)，很難確認(rèn)其工作可靠性。為了確保處理機(jī)在軌正常工作，本文在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)處理機(jī)內(nèi)每個(gè)功率器件的熱特性進(jìn)行仔細(xì)分析研究，進(jìn)行合理布局，同時(shí)采用有效的散熱措施，通過熱仿真分析優(yōu)化熱設(shè)計(jì)方案。結(jié)合熱真空、熱平衡測(cè)試進(jìn)行比較與驗(yàn)證，為高功耗處理機(jī)熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供更加有效的設(shè)計(jì)方法。

1 熱設(shè)計(jì)邊界條件及目標(biāo)

處理機(jī)工作在真空環(huán)境下，要求在軌長期開機(jī)、長壽命工作，這對(duì)處理機(jī)功率器件的溫度降額和熱設(shè)計(jì)可靠性要求特別高，因此必須通過多種方法找到器件散熱途徑。

1.1 熱設(shè)計(jì)邊界條件

處理機(jī)安裝在飛行器內(nèi)部，工作溫度范圍為–5℃～+30℃，整機(jī)熱耗為155W。

處理機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1，本體尺寸為206mm×167mm×196.5mm，由調(diào)制解調(diào)模塊、激光收發(fā)模塊、綜合接口與伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊、供配電模塊組合而成。其中調(diào)制解調(diào)模塊熱耗較大的器件主要有16個(gè)，激光收發(fā)模塊熱耗較大的器件有5個(gè)，綜合接口與伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊熱耗較大的器件有14個(gè)，供配電模塊熱耗較大的器件有10個(gè)，此外還有一些小的低功耗器件。工作模式為在軌長期開機(jī)。

1.2 結(jié)構(gòu)布局與熱設(shè)計(jì)方案

由于處理機(jī)集成度高，重量與體積的要求嚴(yán)格，功率密度大，散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)處理機(jī)的可靠性影響非常大。處理機(jī)外形及內(nèi)部布局分別如圖1、圖2所示。

熱能的傳遞有導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱三種形式。對(duì)于安裝在艙內(nèi)的飛行器電子設(shè)備處理機(jī)而言，處理機(jī)正常工作在真空環(huán)境下，自然對(duì)流傳熱不能產(chǎn)生，因此熱設(shè)計(jì)方案以熱傳導(dǎo)與熱輻射為主。導(dǎo)熱方式優(yōu)先采用金屬安裝底板導(dǎo)到飛行器結(jié)構(gòu)安裝板上。為了提高熱傳導(dǎo)能力，增大溫差的同時(shí)盡可能減小熱阻，才能最有效地增加熱流密度。在進(jìn)行處理機(jī)熱設(shè)計(jì)方案時(shí)，將大功率器件貼殼安裝，并靠近安裝底面，熱耗大的模塊靠兩邊放置，最大限度地減少導(dǎo)熱熱阻，同時(shí)保證機(jī)殼接觸面的表面光潔度與平整度，減少接觸熱阻，使大功率器件大部分功耗以最短的路徑通過傳導(dǎo)將熱量傳遞到機(jī)殼上。處理機(jī)結(jié)構(gòu)殼體采用易加工且導(dǎo)熱好的鋁合金2A12加工而成，也便于減重與抗輻照設(shè)計(jì)和加固處理。

圖1 處理機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 處理機(jī)內(nèi)部布局

熱輻射能夠在真空中傳遞能量，物體以電磁波形式傳遞能量，能量大小與輻射面積大小以及輻射率相關(guān)。處理機(jī)輻射熱設(shè)計(jì)時(shí)主要措施是提高處理機(jī)的輻射率，盡可能增加輻射換熱面積大小。設(shè)計(jì)時(shí)將處理機(jī)金屬殼體外表面及部分內(nèi)表面進(jìn)行特殊的黑色陽極氧化處理，確保輻射率不小于0.85。

在經(jīng)過結(jié)構(gòu)與電路的具體排布后形成了多層拼接組裝結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示，處理機(jī)的熱流通路如圖3所示。

1.3 熱功耗及分布

不同工作模式下處理機(jī)整機(jī)熱耗有所不同，峰值熱耗為155W，其中調(diào)制解調(diào)模塊34W熱耗，激光收發(fā)模塊32.7W熱耗、綜合接口與伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊30W熱耗、供配電模塊合計(jì)58.3W熱耗。

1.4 器件的溫度指標(biāo)

處理機(jī)內(nèi)部大熱耗（大于0.2W）器件單獨(dú)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，包括調(diào)制解調(diào)模塊（頻綜信道板）的電源模塊、頻綜1~3、頻綜信道_WG、放大器、AD、DA、FPGA、LDO-1~3、DC/DC-1、DC/DC-2、收發(fā)器等，供配電模塊的電源模塊1~7、濾波器、繼電器，綜合接口與伺服控制模塊的FPGA、DSP、1553、ADC、DCDC、LDO，激光收發(fā)模塊的激光器、驅(qū)動(dòng)器、平衡探測(cè)器、調(diào)制器、LDO等元器件。在滿足熱設(shè)計(jì)要求下，元器件的溫度指標(biāo)即元器件的結(jié)溫應(yīng)滿足不大于I級(jí)降額溫度85℃。

2 熱設(shè)計(jì)

處理機(jī)熱設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)各模塊的發(fā)熱情況進(jìn)行合理布局，對(duì)模塊上器件的布局進(jìn)行優(yōu)化，熱耗較大的器件采取貼殼安裝、或盡可能地分散布局，并靠近結(jié)構(gòu)殼體布局，且靠近結(jié)構(gòu)安裝底面，以保證最短散熱路徑，減少熱阻等多種熱設(shè)計(jì)方式，并進(jìn)行仿真優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)處理機(jī)的熱工作可靠性。

2.1 功率模塊的熱設(shè)計(jì)

功率模塊包含電源模塊和濾波模塊，如圖2 所示。將發(fā)熱量最大的10個(gè)模塊分布安裝在結(jié)構(gòu)殼體上靠近底板處，約58.3W，與模塊固定的機(jī)殼部位材料局部加厚，既讓熱流快速地導(dǎo)入到機(jī)殼上，又能對(duì)模塊及電源內(nèi)部的器件起到一定的抗輻照保護(hù)作用。同時(shí)，模塊的部分熱量通過兩側(cè)的多個(gè)針腳傳遞到印制板組件上。

圖3 處理機(jī)散熱路徑圖

2.2 印制板組件的熱設(shè)計(jì)

處理機(jī)由5塊印制板組件組成，各模塊中的電路板材料均為覆銅環(huán)氧玻璃布層壓板FR4，覆銅層厚度均在35μm以上、層數(shù)在8層以上、覆銅比80%以上。電路板通過緊固件與結(jié)構(gòu)殼體直接接觸傳熱。元器件盡可能地分散布局，并靠近結(jié)構(gòu)殼體布局，且靠近結(jié)構(gòu)安裝底面，以保證最短散熱路徑，采用減少熱阻等多種熱設(shè)計(jì)方式，電路板的平行當(dāng)量熱導(dǎo)率均接近30W/(m·K)，較高的熱導(dǎo)率提高了板內(nèi)溫度的均衡性和電路板工作可靠性。

3 熱仿真分析

整體布局后，建立仿真模型，輸入材料特性，增加印制板及其它器件的熱耗點(diǎn)，利用仿真軟件對(duì)處理機(jī)進(jìn)行仿真。底部安裝板取工作溫度要求30℃，空間環(huán)境為輻射邊界，溫度也設(shè)為30℃。對(duì)簡化后的模型劃分網(wǎng)格后，各模塊溫度云圖見圖4~圖7，根據(jù)仿真分析計(jì)算表明調(diào)制解調(diào)模塊溫升最高，且調(diào)制解調(diào)模塊部分主要器件結(jié)溫不滿足Ⅰ級(jí)降額要求，計(jì)算結(jié)果見表1所示。其中熱計(jì)算模型計(jì)算的元器件溫度為殼溫，結(jié)溫通過公式“結(jié)溫=殼溫+結(jié)殼熱阻×元器件熱耗”計(jì)算得出。

熱仿真分析結(jié)果顯示供配電模塊、綜合接口與伺服驅(qū)動(dòng)模塊、激光收發(fā)模塊器件的溫升能夠滿足Ⅰ級(jí)降額要求，但調(diào)制解調(diào)模塊電路板功率器件附近的最高殼溫為78.7℃，其中頻綜–2、頻綜–3、放大器、DC/DC-2器件的結(jié)溫非常接近Ⅰ級(jí)降額85℃要求，與I級(jí)降額的溫度要求余量在5℃~7℃，AD器件的結(jié)溫則超過Ⅰ級(jí)降額85℃要求，此時(shí)調(diào)制解調(diào)模塊電路板上部分功率器件不能夠滿足Ⅰ級(jí)降額要求。為保證處理機(jī)正常工作，需進(jìn)行散熱措施優(yōu)化，提高調(diào)制解調(diào)模塊電路板的散熱性能。

圖4 調(diào)制解調(diào)模塊溫度云圖

圖5 激光收發(fā)模塊溫度云圖

圖6 綜合接口與伺服控制模塊溫度云圖

圖7 供配電模塊溫度云圖

表1 高溫工況計(jì)算結(jié)果

4 熱設(shè)計(jì)改進(jìn)與仿真分析

4.1 熱設(shè)計(jì)改進(jìn)

通過上述仿真分析及結(jié)溫計(jì)算可以得出調(diào)制解調(diào)模塊溫升最高，部分器件不滿足Ⅰ級(jí)降額85℃要求，僅通過電路板很難散熱，需要采用其它散熱措施，來增加導(dǎo)熱途徑，降低這些元器件溫度。

圖8 左蓋板及熱管安裝

①通過元器件自身引腳導(dǎo)熱至PCB，再通過PCB自身的導(dǎo)熱將熱量傳至機(jī)殼及安裝底面。電路板設(shè)計(jì)時(shí)，板厚3mm，覆銅14層，單層覆銅層厚度30μm，覆銅比90%，以增強(qiáng)調(diào)制板導(dǎo)熱性能；

②在處理機(jī)左蓋板背面長出若干凸臺(tái)，控制凸臺(tái)的高度，使得發(fā)熱較大的器件通過凸臺(tái)散熱。

③調(diào)制解調(diào)模塊熱耗大的元器件正面通過高導(dǎo)熱墊與左蓋板的凸臺(tái)接觸，使其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過左蓋板傳遞至設(shè)備安裝面。

處理機(jī)熱設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化后外形如圖9所示。如圖10所示，調(diào)制板上電子器件的熱流傳遞路徑有三種，分別為：電子器件→高導(dǎo)熱墊→擴(kuò)熱左蓋板→熱管→安裝底面；電子器件→印制板覆銅→結(jié)構(gòu)鋁框→安裝底面；電子器件→高輻射率→電磁波形式傳遞能量。

左蓋板凸臺(tái)設(shè)計(jì)的主要作用為：①將調(diào)制板上熱耗較大的電子器件的熱量迅速傳導(dǎo)左蓋板上，從而直接傳遞到安裝接觸面，避免熱量堆積進(jìn)而引起電子器件過熱；②對(duì)印制板起到加固作用，可提高插件的抗震動(dòng)性能。綜合考慮傳熱性能、可加工性、重量、耐腐蝕性、成本等因素，選取鋁合金為左蓋板的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)約為204W/(m·K)。

圖9 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后處理機(jī)

圖10 電子器件的熱量傳遞路徑

根據(jù)傅立葉定律推導(dǎo)傳導(dǎo)熱阻的公式

=(1–2)/j=/(··) （1）

式中，1為電子器件對(duì)應(yīng)位置的左蓋板溫度，2為左蓋板的邊緣溫度，j為電子器件的熱負(fù)荷，為熱量傳輸距離，為左蓋板的導(dǎo)熱系數(shù)，為左蓋板厚度，為左蓋板寬度。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

熱設(shè)計(jì)改進(jìn)后，建立仿真模型，輸入材料特性，增加印制板及其它器件的熱耗點(diǎn)，利用仿真軟件對(duì)處理機(jī)熱設(shè)計(jì)改進(jìn)后進(jìn)行仿真分析。安裝底板取工作溫度要求30℃，空間環(huán)境為輻射邊界，溫度也設(shè)為30℃。對(duì)簡化后的模型劃分網(wǎng)格后，處理機(jī)進(jìn)行仿真分析，對(duì)比處理機(jī)調(diào)制解調(diào)模塊調(diào)制板優(yōu)化前后主要器件殼溫及結(jié)溫對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化前后高溫工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖11 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后調(diào)制解調(diào)模塊溫度云圖

圖12 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后左蓋板溫度云圖

從計(jì)算仿真分析結(jié)果可以看出，熱設(shè)計(jì)改進(jìn)后，調(diào)制解調(diào)模塊的AD、頻綜、放大器、DC/DC等元器件散熱性能有效提高，均滿足Ⅰ級(jí)降額要求，且基本滿足與Ⅰ級(jí)降額的溫度要求相比余量大于10℃。相比改進(jìn)前，調(diào)制解調(diào)電路板元器件普遍溫度降低5℃~10℃，說明熱設(shè)計(jì)改進(jìn)措施有效，調(diào)制解調(diào)模塊電路板的散熱性能得到有效提升。

5 熱試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

按照熱設(shè)計(jì)的要求對(duì)處理機(jī)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，通過粘貼熱電偶對(duì)處理機(jī)內(nèi)部主要發(fā)熱器件的溫度進(jìn)行熱測(cè)試，以了解處理機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況，驗(yàn)證處理機(jī)熱設(shè)計(jì)的效果及仿真分析的結(jié)果。高溫30℃下工作循環(huán)穩(wěn)定后的測(cè)點(diǎn)溫度情況如表3所示。處理機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示。

表3 高溫工況溫度檢測(cè)點(diǎn)溫度與熱仿真溫度對(duì)比

高溫30℃下工作循環(huán)穩(wěn)定后，測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果基本一致，部分測(cè)試溫度與熱仿真溫度有幾度的溫差，且大部分實(shí)測(cè)值比仿真值要低2℃~3℃，這主要與熱電偶粘貼位置有關(guān)，有的元器件裝上左蓋板后，不能在元器件上粘貼，只能在其周圍附近粘貼熱電偶。經(jīng)對(duì)比分析可知熱仿真結(jié)果是合理有效的，進(jìn)一步可以確認(rèn)仿真溫度的有效性。綜合測(cè)點(diǎn)與仿真結(jié)果，處理機(jī)內(nèi)的所有功率器件都能滿足器件Ⅰ級(jí)降額要求。

圖13 處理機(jī)測(cè)點(diǎn)布置

6 結(jié)束語

通過增加覆銅層數(shù)、覆銅層厚度、覆銅比，采用左蓋板增加散熱凸臺(tái)、高導(dǎo)熱墊及Ω形熱管等措施，建立電子元器件的多種有效導(dǎo)熱通路，將散熱器件直接導(dǎo)熱到安裝底面，有效減少導(dǎo)熱熱阻，可以作為提高飛行器電子設(shè)備散熱性能的有效措施。

本文對(duì)某飛行器高碼率通信終端處理機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)與熱仿真分析，針對(duì)發(fā)熱較大的器件提出優(yōu)化方案，再次進(jìn)行仿真分析，特別是針對(duì)多個(gè)無直接導(dǎo)熱途徑的功率器件，通過增加覆銅層數(shù)、覆銅層厚度、覆銅比，采用左蓋板增加散熱凸臺(tái)、高導(dǎo)熱墊及Ω形熱管等措施，建立導(dǎo)熱通路，利用仿真結(jié)果對(duì)獨(dú)立組件進(jìn)行局部詳細(xì)熱仿真，多重仿真結(jié)果與熱真空試驗(yàn)測(cè)試值基本一致，驗(yàn)證了本文處理機(jī)熱設(shè)計(jì)方法的有效性，有助于確認(rèn)處理機(jī)內(nèi)部高密度裝配器件的溫度分布情況，為處理機(jī)熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、提高處理機(jī)工作可靠性提供新的設(shè)計(jì)思路，對(duì)真空環(huán)境下飛行器電子設(shè)備熱控設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

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Thermal design and simulation analysis of high-rate communication terminal processor

AI Pinggui, WANG Yu

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

The Processor is the core electronic equipment of aerobat high rate communication terminal, the stability and reliability of the processor are directly related to the reliability of the whole terminal system equipment. The characteristics and methods of thermal design of high-rate terminal processor are introduced, according to different power devices and components, combined with structural design, a reasonable way of heat dissipation is explored. In particular, the thermal design of many power devices with high heat consumption. Optimizing thermal design scheme through thermal simulation analysis, control the temperature rise of each device to meet the design requirements, thermal vacuum and thermal balance tests were carried out to verify the results.

Processor; Thermal design; Thermal simulation; Heat plate; Heat pipe; Thermal test

TN919.5

A

CN11-1780(2020)01-0052-07

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星激光星間鏈路項(xiàng)目

2019-07-30

2019-11-27

艾平貴 1983年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

王 宇 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。