王君峰，王 升，代 鋒，薛婧婧，張緩緩，付永輝

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

通用化、模塊化、互換性越來越成為星載數(shù)據(jù)處理電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向。VPX架構(gòu)是一種較適合的形式[1]。VPX是基于高速串行總線的一種總線標準，具有傳輸帶寬高、傳輸可靠度高、互連結(jié)構(gòu)靈活可配置、產(chǎn)品壽命周期長等特點，繼承了VME標準的機械結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷抗震方面的優(yōu)勢，由VME國際貿(mào)易協(xié)會組織(VITA)于2006年相繼推出，兼容Fiber Channel、PCI-Express、Rapid IO、Hyper transport等高速串行總線協(xié)議[2]。VPX總線技術(shù)標準包括VITA46和REDI 加固增強的機械設(shè)計規(guī)范VITA48，其中VITA48是為解決VPX總線架構(gòu)的散熱問題而提出的進一步規(guī)范，又稱為REDI-VPX，其內(nèi)容包括VITA48.0(基礎(chǔ))、VITA48.1(氣冷)、VITA48.2(傳導(dǎo)制冷)、VITA48.3(液冷)等4 個子規(guī)范[3]。星載電子設(shè)備的散熱以熱傳導(dǎo)和熱輻射為主，采用VITA48.2標準。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備向著微小型化、高密度、高功率方向發(fā)展，導(dǎo)致電子設(shè)備的熱流密度劇增。這些需求對機箱以及模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來越來越嚴苛的考驗。VPX標準標準化、通用化、互換性的的特點其尺寸以及結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了該架構(gòu)下的機箱散熱能力比較受限[4]，特別是對于星載設(shè)備更是面臨著較大挑戰(zhàn)。本文探討基于VPX架構(gòu)的高熱耗星載數(shù)據(jù)處理機結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 設(shè)計需求

某型號星載數(shù)據(jù)處理機由12塊子板，1塊母板組成，采用6U，1 inch尺寸參數(shù)。根據(jù)VPX規(guī)范協(xié)議，子板尺寸233.35×160 mm，子板間距25.4 mm[5]。該處理機熱耗較大，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了較大挑戰(zhàn)，其中計算板最大熱耗達到41.5 W，2塊配電板所用到的電源模塊器件總熱耗高達90 W。分機工作時，各個插板根據(jù)工作模式的不同而熱耗不同，整機最大總熱耗312 W，設(shè)備工作在最高工作溫度下，邊界溫度為45℃。

同時該數(shù)據(jù)處理機有較高的抗力學(xué)環(huán)境要求，要求整機基頻大于130 Hz，同時具有足夠的強度裕度，正弦振動實驗條件為頻率20～100 Hz，加速度16 g，隨機振動總均方根值為13.6 Grms。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

星載設(shè)備較為可靠的散熱方式為熱傳導(dǎo)和熱輻射，鑒于該數(shù)據(jù)處理機的高熱耗特點，其結(jié)構(gòu)設(shè)計重點和難點在于散熱設(shè)計。VPX架構(gòu)機箱的結(jié)構(gòu)形式散熱路徑較長，散熱區(qū)域有限。各個元器件的熱首先導(dǎo)到子板邊框上，然后通過子板與機箱插槽的接觸區(qū)域?qū)崃孔罱K導(dǎo)至機箱，該接觸區(qū)域極為有限，VITA48.2中熱管理區(qū)的機械接口尺寸9.3×160 mm[6]。在換熱面積受限的情況下，發(fā)熱元器件的散熱路徑、傳熱效率的設(shè)計尤為重要。

首先，優(yōu)化布局縮短散熱路徑。該處理機2塊配電板用到多達21個電源模塊，其總熱耗將近90 W，若按照傳統(tǒng)思路將這電源模塊置于子板，單個電源板的熱耗將超過60 W，VPX架構(gòu)的插板形式無法將熱量導(dǎo)出，難以滿足器件的降額設(shè)計要求。圖1為某型號配電板VPX板卡熱仿真云圖，電源模塊器件置于子板上，子板總熱耗39.6 W，電源模塊器件殼溫度最大處達到93.4℃，不能滿足一級降額結(jié)溫小于85℃的要求。因此本文將所有電源模塊器件集中布局放置在背板下邊靠近整機安裝面的空間如圖2所示，從而減少子板散熱壓力，同時最大限度縮短電源模塊器件的散熱路徑。將子板中熱耗較高的器件布局在PCB左右兩側(cè)邊緣靠近熱管理區(qū)的位置，縮短元器件的散熱路徑。

圖1 某型號配電板熱仿真云圖 圖2 電源模塊器件下置示意圖

其次，提高散熱效率。提高散熱效率從兩方面入手，增加散熱路徑和提高散熱零部件熱導(dǎo)率。

1)機殼設(shè)計散熱凸臺，增加散熱路徑。在熱耗較大元器件對應(yīng)機殼部位設(shè)計散熱凸臺，散熱凸臺與元器件之間通過導(dǎo)熱墊填充減少接觸熱阻，元器件的散熱一方面通過PCB傳至熱交換區(qū)，另一方面通過機殼散熱凸臺傳至熱交換區(qū)，最終通過機箱側(cè)壁導(dǎo)至設(shè)備安裝面子板散熱路徑如圖3所示。

圖3 子板散熱路徑示意圖

2)選用熱導(dǎo)率高的材料鋁合金作為機箱和子板的結(jié)構(gòu)件材料，同時在子板和機箱中嵌入熱管來提高傳熱效率。熱管是一種利用介質(zhì)相變換熱實現(xiàn)熱交換的傳熱元件，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。在子板機殼熱耗較高元器件區(qū)域嵌入熱管[7]，將熱量快速導(dǎo)入熱交換區(qū)，避免熱量堆積，使得機殼局部溫度過高影響傳熱效率。機箱熱交換區(qū)域的側(cè)壁嵌入L型熱管，將機箱側(cè)壁的熱快速導(dǎo)至整機底部。

基于散熱設(shè)計的思路進行該處理機的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計，子板機殼和機箱采用2A12鋁合金材料，材料剛度好，熱導(dǎo)率高。因整機尺寸較大，考慮成本以及尺寸穩(wěn)定性等因素，機箱采用拼裝式機箱，四個側(cè)板通過螺釘連接成箱體主框架，背板底座一體化加工。結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡可能提高熱交換區(qū)域的平面度和粗糙度，從而減少接觸熱阻。子板機殼的熱管采用焊接形式嵌入機殼，以增大接觸面積，減少熱管與機殼接觸熱阻。側(cè)壁熱管因裝配限制，采取壓板固定的方式安裝，安裝間隙鋪設(shè)0.508 mm厚導(dǎo)熱墊。整機及子板結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。圖中給出某一子板的模型，其余子板類似。

圖4 處理機結(jié)構(gòu)模型

3 熱仿真分析

采用FLOTHERM軟件作為分析工具，利用該軟件自帶的建模工具建立的分析網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 熱分析模型

為了提高計算速度，在不影響計算精度的前提下，分析模型適當(dāng)簡化刪除了一些幾何特征，不會影響分機內(nèi)的溫度分布。分析模型共有網(wǎng)格550萬個，網(wǎng)格最大長寬比例為38.2。

元器件建模時，均按照其實際外形尺寸建立模型，由于不清楚器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以器件本體均采用實體塊模擬，通過該模型可以準確計算器件的殼溫，器件結(jié)溫按照公式(1)計算[8]。

Tj=Tc+QRj-c

(1)

其中：Tc—器件殼溫(℃)；Tj—器件的結(jié)溫(℃)；Q—元器件的熱耗(W)；Rj-c—器件結(jié)點到外殼的熱阻(℃/W)。設(shè)備工作在最高工作溫度下，即底板溫度為45℃，分機外部輻射溫度邊界為45℃，進行穩(wěn)態(tài)計算，計算時考慮熱傳導(dǎo)和輻射，各部分溫度如圖6所示。

圖6 機箱及子板熱分析云圖

機箱最高溫度62℃，位于熱交換區(qū)的插槽處，布局于底部的電源模塊器件最高溫度74.6℃，路由板FPGA溫度最高74.7℃，計算板溫度最高器件為RHFXH1632達到77℃。對殼溫較高器件進一步計算結(jié)溫，個別器件結(jié)溫達到79.2℃，均滿足一級降額85℃要求[7]，表明該數(shù)據(jù)處理機結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足散熱需求。部分元器件溫度仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分元器件溫度仿真數(shù)據(jù)

4 抗力學(xué)環(huán)境分析

該設(shè)備插板數(shù)量多，裝配復(fù)雜，相對傳統(tǒng)拼裝式設(shè)計該結(jié)構(gòu)形式剛度較差[9]，通過增加機箱主支撐結(jié)構(gòu)厚度，合理布置加強筋，增加聯(lián)接區(qū)域螺釘密度等方式提高整機剛度。用ANSYS18.1有限元分析軟件對整機進行模態(tài)和隨機振動分析。

該設(shè)備與衛(wèi)星艙板間用14個M5螺釘連接，整機重量22 kg，隨機振動功率譜密度如表2所示。

表2 隨機振動試驗條件

采用體單元網(wǎng)格化分，模型單元總數(shù)326 185個，節(jié)點總數(shù)為：713 346，螺釘連接采用點焊進行模擬，忽略倒角、螺孔等細部特征。數(shù)據(jù)處理器與衛(wèi)星艙板連接的14個點，每個點約束其6個自由度。

圖7 模態(tài)及隨機振動分析云圖

模態(tài)分析結(jié)果顯示整機基頻238 Hz，印制板一階頻率267 Hz，滿足單機基頻大于130 Hz的要求，表明整機結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。對三個方向進行隨機響應(yīng)分析，整機X向隨機振動應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為163 Mpa，具有較大安全裕度。印制板Y向隨機振動應(yīng)力最大，最大響應(yīng)處應(yīng)力72 MPa，印制板的最大變形為δ=0.782 mm，對于電子設(shè)備印制板組件，相對變形極限應(yīng)小于0.006。該設(shè)備中電路板寬度b=160 mm，可得δ/b=0.004 9<0.006，變形滿足星載設(shè)備印制板變形控制要求[10]。

整機結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力：163 MPa，位于整機與衛(wèi)星艙板連接處。安全裕度：

印制電路板最大應(yīng)力：72 MPa，位于調(diào)制適配電路板與插板結(jié)構(gòu)件連接處。安全裕度：

通過對整機模態(tài)及隨機響應(yīng)分析，結(jié)果表明整機基頻238 Hz>130 Hz，安全裕度>0，各項力學(xué)指標滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)論

VPX架構(gòu)機箱結(jié)構(gòu)形式對于滿足星載數(shù)據(jù)處理機高帶寬、高速度、可重構(gòu)、互換性等方面具有很大優(yōu)勢，而散熱方面限制較多。本文基于VPX架構(gòu)探討了高熱耗數(shù)據(jù)處理機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局、增加散熱路徑、提高散熱效率等思路，采用了大熱耗器件分離布局機箱底部，機殼設(shè)計散熱凸臺，機箱及子板結(jié)構(gòu)件嵌入熱管等方法，最終成功解決了總熱耗312 W，單板最大熱耗41.5 W的星載數(shù)據(jù)處理機的結(jié)構(gòu)設(shè)計難題。通過有限元力熱仿真，元器件結(jié)溫最高為79.2℃，滿足一級降額85℃要求，整機基頻238 Hz，各力學(xué)指標滿足設(shè)計需求。該設(shè)計方法對VPX架構(gòu)星載高熱耗電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有借鑒意義。