電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

呂世義

摘要：電子設(shè)備一般可以分為若干個(gè)功能模塊，在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，分別對(duì)電子設(shè)備的各個(gè)組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在介紹電子設(shè)備的各個(gè)組成結(jié)構(gòu)之后，闡述各個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)方法，并介紹結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法的相關(guān)應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備;結(jié)構(gòu);模塊化;設(shè)計(jì)方法

引言

隨著對(duì)電子設(shè)備性能要求的提高，電子設(shè)備中的各個(gè)組成結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。以電子設(shè)備中的VPX散熱冷板為例，隨著電子元件集成度越來(lái)越高，熱流密度越來(lái)越大，風(fēng)冷冷板在很多情況下已經(jīng)不能滿足散熱要求，電子液冷冷板已經(jīng)開(kāi)始普遍使用。目前的電子液冷冷板有鑲管式、打孔式及內(nèi)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(diǎn)，而隨著電子元件集成度不斷增長(zhǎng)，熱流密度越來(lái)越大，對(duì)于電子液冷冷板的散熱要求也越來(lái)越高，現(xiàn)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(qiáng)對(duì)電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)。

一、電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)

電子設(shè)備在組成結(jié)構(gòu)上，包括TR組件、VPX散熱冷板、VPX機(jī)箱散熱模塊等，各個(gè)組成模塊相互間協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證電子設(shè)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(diǎn)，由于端口位置單調(diào)分布，考慮到整機(jī)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(tǒng)一控制，必然會(huì)導(dǎo)致模塊集成度高，而整機(jī)集成度相對(duì)低的特點(diǎn)。整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)將高集成度與精細(xì)化的壓力往組件方面?zhèn)戎?，努力壓縮組件體積的同時(shí)要求增加組件功能。

二、電子設(shè)備各模塊的功能

電子設(shè)備中的各個(gè)組成模塊都具有相應(yīng)的功能，以下分別介紹電子設(shè)備中的TR組件、VPX機(jī)箱散熱模塊、VPX散熱冷板等組成結(jié)構(gòu)的功能，對(duì)于電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義

1.TR組件

對(duì)于TR組件，即用于發(fā)送和接收的組件，里面有很多組成構(gòu)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(jīng)應(yīng)用在多個(gè)不同的場(chǎng)合中。傳統(tǒng)意義上的TR組件，其中一端用來(lái)接收信號(hào)，可以采用天線接收的方式，另外一端接處理單元，形成一個(gè)通過(guò)無(wú)線通信方式構(gòu)成的通信系統(tǒng)。隨著電子設(shè)備中TR組件制造技術(shù)的提高和進(jìn)步，可以采用多通道的數(shù)字化的TR組件，這種類型的TR組件包括芯片、時(shí)鐘模塊、收發(fā)接口等，各個(gè)模塊統(tǒng)一為一個(gè)整體，相互間協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2.VPX機(jī)箱散熱模塊

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

3.VPX散熱冷板

電子元件設(shè)置于上蓋板的一側(cè)，電子元件工作時(shí)，主要通過(guò)進(jìn)出液接頭通入冷卻介質(zhì)帶走電子元件散出的熱量，翅片可以增加冷板的傳熱系數(shù)和傳熱面積。當(dāng)冷卻介質(zhì)無(wú)法滿足電子元件的散熱要求時(shí)，冷板的表面溫度開(kāi)始增加，當(dāng)增加到相變材料的相變溫度時(shí)，相變材料開(kāi)始產(chǎn)生相變，通過(guò)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(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)方法

TR組件的設(shè)計(jì)：對(duì)于TR組件的設(shè)計(jì)，在封裝方法方面，可以按照以下步驟進(jìn)行：將TR組件劃分為微波電路、數(shù)字電路和電源電路三種類型電路;將電路板對(duì)應(yīng)劃分為微波層、數(shù)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(guò)密集通孔的方式互聯(lián);TR組件的收發(fā)單元采用微波數(shù)字芯片;TR組件收發(fā)單元的器件密封至收發(fā)腔體之內(nèi)，采用這種方法可以突破多層微波復(fù)合基板仿真建模，具有較高的集成度、隔離度和可靠性。

VPX機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)于VPX機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以采用機(jī)箱、熱管和散熱件，機(jī)箱與散熱件相互分隔，熱管的蒸發(fā)段容納于機(jī)箱壁內(nèi)并與機(jī)箱壁連接，熱管的冷凝段容納于散熱件內(nèi)并連接散熱件。機(jī)箱與散熱件通過(guò)熱管連接，利用了熱管的相變?cè)?，能在極小的溫差下將機(jī)箱的部分發(fā)熱量傳遞至散熱件中，并且由于機(jī)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(jié)構(gòu)的散熱能力相對(duì)于原來(lái)單個(gè)機(jī)箱大大增加，突破單純?cè)跈C(jī)箱表面設(shè)計(jì)翅片的極限散熱量。

電子元件的散熱冷板：對(duì)于電子元件的散熱冷板，可以由上至下依次設(shè)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(nèi)部設(shè)有與上框封條高度一致的翅片，該翅片的內(nèi)部設(shè)有冷卻介質(zhì)流道，上框封條上設(shè)有與冷卻介質(zhì)流道相通的進(jìn)液接頭和出液接頭，下框封條的內(nèi)部填充有相變材料并且在下框封條上設(shè)有工藝孔。這樣設(shè)計(jì)具體有以下幾點(diǎn)有點(diǎn)：一是重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、加工簡(jiǎn)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(hù)電子元件防止被燒壞;三是相對(duì)于傳統(tǒng)的冷板，傳熱性能更加優(yōu)良，換熱效率更高。

四、結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)量，提高了設(shè)計(jì)效率。模塊，化設(shè)計(jì)避免重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，使設(shè)計(jì)者把精力重點(diǎn)用于改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方面！縮短了設(shè)計(jì)周期。

（2）能夠降低加工成本！提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使零部件具有了通用性，可以系列化批量生產(chǎn)，也便于同一系列產(chǎn)品使用相同的模具，使成本降低。

（3）便于設(shè)備維修與調(diào)試。對(duì)于故障模塊！可以實(shí)現(xiàn)快速更換，對(duì)于設(shè)計(jì)了冗余模塊的產(chǎn)品，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，更換故障模塊不影響設(shè)備正常工作！產(chǎn)品的可靠性也大幅提高。

（4）抗惡劣環(huán)境能力提高。比如，對(duì)于電磁敏感部分設(shè)計(jì)成單獨(dú)的模塊進(jìn)行電磁屏蔽，對(duì)于產(chǎn)品相互干擾的部分設(shè)計(jì)成分開(kāi)的模塊進(jìn)行隔離。

五、電子設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

電子設(shè)備采用模塊化的設(shè)計(jì)方法之后，由于電子設(shè)備實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境有所不同，可以根據(jù)電子設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)方案加以改進(jìn)，以使電子設(shè)備能夠更好地運(yùn)行。如為了提高VPX機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果，可以對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，VPX機(jī)箱內(nèi)設(shè)有內(nèi)導(dǎo)熱件，內(nèi)導(dǎo)熱件為內(nèi)部熱管，內(nèi)部熱管分別連接端壁和側(cè)壁。由于機(jī)箱自身具有擴(kuò)散熱阻，所以流經(jīng)機(jī)箱側(cè)壁散失的熱量較小，若在側(cè)壁增加散熱翅片，實(shí)際上對(duì)于機(jī)箱散熱的改善作用相對(duì)機(jī)箱端壁要小，因此將端壁的熱量通過(guò)內(nèi)部熱管的相變?cè)韨鬟f至側(cè)壁上，充分利用機(jī)箱整體來(lái)散熱，提高散熱效果。

結(jié)束語(yǔ)：電子設(shè)備在投入實(shí)際生產(chǎn)前，需要進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，一般可以采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將電子設(shè)備按照功能的不同劃分為不同的組成模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后組裝成為一個(gè)整體。本文所分析的電子設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于提高電子設(shè)備的設(shè)計(jì)制造水平具有一定的價(jià)值。

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