楊德春

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

航空電子系統(tǒng)則是戰(zhàn)機的“大腦”或“中樞神經(jīng)”。它承載了戰(zhàn)機絕大多數(shù)任務，比如電子戰(zhàn)、通信/導航/識別（CNI）/數(shù)據(jù)鏈功能等，是決定戰(zhàn)機作戰(zhàn)效能的重要因素[1]。航空電子系統(tǒng)的發(fā)展階段可以分為以下幾個階段：第一代航電結構——分離式：特點是設備相互獨立，信息交換困難；第二代航電結構——聯(lián)合式：形成了功能各自獨立的子系統(tǒng)或航電設備，實現(xiàn)了信息鏈后端控制與顯示部分的資源共享；第三代航電結構——綜合模塊化：采用開放式體系結構，充分應用商用貨架（COTS）產(chǎn)品實現(xiàn)軟件和硬件功能單元，使用統(tǒng)一光纖網(wǎng)連接所有功能區(qū)，并推動雷達、電子戰(zhàn)、CNI等射頻部件的綜合。

綜合模塊化航空電子機架是采用模塊化結構設計思想，將傳統(tǒng)分離式或聯(lián)合式的多種獨立電子設備進行綜合集成設計，形成以LRM模塊為基礎單元的設備或系統(tǒng)，其特點是集成度高、開放性好、全壽命成本低、具有良好的維修性和可靠性[2]。

采用一定標準的模塊和機架是綜合航空電子的有效載體，該硬件載體不僅要求能滿足電氣互聯(lián)互換的要求以實現(xiàn)既定功能，而且要求能夠滿足復雜環(huán)境（諸如溫度、高頻振動及沖擊、復雜的電磁環(huán)境、三防（防濕熱、防鹽霧、防霉菌）等綜合環(huán)境）下的散熱需求。

1 邊界條件及初步熱估算

本項目中的綜合模塊化航空電子機架總熱耗1 070 W，32個模塊，整機面臨的復雜環(huán)境有：高溫環(huán)境最高溫度71 ℃、低溫-55 ℃、酸性鹽霧環(huán)境、低氣壓環(huán)境、耐久振動較高的環(huán)境、電磁兼容要求較高（RE102、RS103等都有要求）。

本項目由于規(guī)定機架的安裝空間在500 mm×500 mm×320 mm的一個長方體的空間中，根據(jù)對模塊的規(guī)劃，總共32個獨立的模塊，選擇ASAAC標準的模塊較為適合，長度233.4 mm，寬度160 mm，厚度采用24 mm和30 mm兩種規(guī)格，來兼容不同功能的模塊的厚度尺寸方向的需求同時兼顧減重的需求。

根據(jù)表面熱流密度的計算公式：

由圖1 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法可知，自然冷卻（自然對流和輻射散熱）不能滿足要求，一般認為當電子設備的熱流密度在（0.08～0.3）W/cm2時，則可采用強迫風冷的冷卻方式[3]。

圖1 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法

2 復雜環(huán)境下散熱方案的選擇分析

由于裝載飛機不能提供液冷和風冷資源，將考慮機架自帶風機進行強迫風冷。強迫風冷的電子設備，按照元器件或模塊的不同熱傳遞途徑，將模塊散熱分為模塊傳導風冷散熱、模塊直接風冷散熱和模塊元器件直接風冷散熱三種方式。

電子模塊一般由盒體蓋板等結構件包裹印制板而成，印制板上安裝電子元器件及電連接器，結構件上安裝鎖緊起拔裝置，模塊構成如如圖2所示。

圖2 模塊外形圖

解決印制板上元器件的散熱問題是模塊及電子機架環(huán)境適應性中最直接的問題。

將熱流量（功耗）模擬為電流，溫差模擬為電壓（或稱電位差），熱阻模擬為電阻，用電路網(wǎng)絡表示方法處理熱設計問題稱為熱電模擬方法[4]。本文采用熱電模擬方法來進行比較分析。

2.1 模塊傳導風冷散熱方案

模塊采用ASAAC封裝標準設計，結構件相對封閉，印制板上的元器件熱量依次傳導至導熱襯墊、盒體底面、盒體肋條、機架冷板卡槽、機架冷板流道風冷介質，模塊的結構形式和熱導圖如圖3所示。機架冷板采用散熱器形式，風機組件在一側抽風或吹風，將模塊傳導至冷板的熱量帶走，機架的結構形式見圖4所示。

圖3 模塊的結構形式和熱導圖

圖4 機架結構形式

模塊傳導風冷散熱，在熱導圖上看出，從原器件的結溫到流道的溫度中，有器件的結殼熱阻、導熱襯墊熱阻、盒體熱阻、冷板熱阻，以及他們之間的接觸熱阻，總熱阻較大。但模塊和機架都是相對封閉的結構，有良好的電磁屏蔽效果，外界鹽霧環(huán)境也難以侵蝕模塊和機架內部。

2.2 模塊直接風冷散熱方案

在模塊傳導風冷散熱的基礎上改進設計，將模塊傳導至冷板風冷改為模塊側面直接風冷，去掉了冷板熱阻和模塊與冷板的接觸熱阻，模塊側面增加散熱齒增大散熱面積，模塊的結構形式和熱導圖見圖5所示，機架上部安裝風機，去掉了散熱器的冷板變成了有通風孔的支撐板，機架的結構形式見圖6所示。

圖5 模塊的結構形式和熱導圖

圖6 機架結構形式

相比模塊傳導風冷散熱，冷卻效果明顯提升，但是機架和模塊處于一個開放的環(huán)境，需要機架和模塊自身做好電磁屏蔽和三防處理。

2.3 模塊元器件直接風冷散熱方案

從模塊元器件直接風冷散熱的熱導圖上看出，如果將模塊做成開放式，取消元器件經(jīng)導熱襯墊、盒體導熱，元器件直接強迫風冷散熱，模塊的結構形式和熱導圖見圖7所示，機架頂部安裝風機，仍然保持通風孔的支撐板，機架的結構形式見圖8所示。

圖7 模塊的結構形式和熱導圖

圖8 機架結構形式

從熱導圖上看，少了幾處熱阻，冷卻效果理論上能進一步提升，但隨之而來缺少金屬殼體的熱擴散作用，冷卻效果受到影響。并且模塊內部處于一個開放的環(huán)境，模塊電磁屏蔽難度較大，內部印制板和元器件面對三防有很大的壓力。

2.4 復雜環(huán)境下散熱方式對比

選擇何種散熱方案，要針對要求和復雜環(huán)境進行綜合對比，需要考慮以下因素：

1）重量和尺寸

采用模塊直接風冷時，模塊之間要預留風道，將加大機架的寬度尺寸，從而重量也將增加，模塊也需在風道的側面設置散熱齒，也將增加重量，但是用傳導風冷的機架，在機架的冷板設計上，冷板需要更大的厚度尺寸，冷板內部也需設置散熱齒，將使機架的高度尺寸和重量增加。元器件直接風冷散熱模塊，要在模塊內預留散熱通道，將增大模塊厚度尺寸，從而增加機架寬度尺寸，重量也隨之增加。三者的重量增加值經(jīng)初步測算，大致相當。

2）散熱

三種方式在散熱上有較大的區(qū)別，模塊采用傳導冷卻，由于傳導冷卻與傳導的面積有關，模塊與機架的熱傳導截面為肋條的側面，面積較小，通過傳導散熱將增加幾層熱阻，因此一般允許LRM的熱耗較低（40 W以內）。而采用模塊直接風冷時，模塊的整個大側面都能直接在空氣中散熱，大部分熱量通過對流方式帶走，因此允許LRM的熱耗可以較高（90 W以內）。采用模塊元器件直接風冷，散熱效率較高，允許LRM的熱耗也較高。

由于本課題機架內的模塊熱耗一般在（15～50）W左右，電源模塊在80 W左右。從熱設計的角度來說，采用模塊直接風冷的散熱方式可以滿足要求。

3）抗沖擊振動能力

三種散熱方案的模塊和機架，模塊采用楔形鎖緊裝置脹緊在機架冷板或支撐板的卡槽中，模塊和機架的外形差異不大，模塊和機架都可按照沖擊振動的環(huán)境條件進行適應性設計，因此在抗沖擊振動能力上可以認為三者相當。

4）電磁兼容和耐三防能力

模塊傳導風冷散熱，模塊處于內部空間，模塊的電磁屏蔽和三防不需著重考慮，機架的冷板因為有環(huán)境風的流動，需要做好表面處理。

模塊直接風冷，模塊外部暴露于空氣中，模塊自身需要進行相對封閉的設計，才能滿足電磁屏蔽要求，模塊自身的結構件在選材和表面處理上要著重考慮。

模塊元器件直接風冷，模塊的內部空間暴露在環(huán)境中，在元器件、印制板、電纜、結構件等所有部位進行重防護設計，使防護變得困難。由于發(fā)熱器件外表面進行了防護，反而會降低其散熱能力。由于模塊開了通風窗，也降低了電磁屏蔽能力。

綜合散熱、尺寸重量、抗沖擊振動能力、電磁兼容和耐三防能力，本課題選擇模塊直接風冷的散熱方案。

3 熱計算與仿真分析

3.1 風機選型計算

對于風機供風的機架，當系統(tǒng)環(huán)境條件及風道設計完成后，需要計算來進行風機的選型及確定安裝方案，具體設計計算步驟如下：

1）自然對流換熱量計算

自然對流換熱量：

式中：

α—綜合自然散熱系數(shù)，通常取α=10 W/m2·℃；

S—可用于自然對流散熱的表面積，m2；

T—表面平均溫升，℃；

W1=α·S·T=10×1.05×15=157.5（W）（設表面平均溫升為15 ℃）。

2）強迫對流換熱量計算

需要強迫風冷帶走的熱量W2：

式中：

P—機箱的總熱耗散功率。

3）強迫對流換熱體積流量計算

所需冷卻空氣的質量流量，通過熱平衡公式計算：

Q—所需帶走的強迫對流熱功率；

Cp—熱容量，取定性溫度55 ℃時，Cp=1 009 J/（kg·℃）；

Δt—進出口空氣溫差；

V—空氣的體積流量；

ρ—空氣密度

取進出口風溫差5℃，V=912.5/（1 009×5×1）=0.181（m3/s），即651.6 m3/h。

4）計算風道的壓力損失

通過初步仿真分析，該機箱風道的靜壓損失約為

10 0 Pa左右。

5）風機選型

根據(jù)上述方法得知機箱風道壓力損失100 Pa，強迫風冷所需風量V=663 m3/h。根據(jù)尺寸大小及風量需求，選取10個EBM公司8214JN風機并聯(lián)安裝，該風機的特征曲線如圖9。該風機穩(wěn)定工作壓力范圍為（80～115）Pa，風量（61～105）m3/h，10個風機并聯(lián)后，風量為（610～1 050）m3/h，滿足設計要求。

圖9 8214JN風機特征曲線

3.2 熱仿真分析

3.2.1 仿真模型處理

在處理模型時，對孔進行了簡化，對局部倒角、過渡結構等不影響整體傳熱的結構進行了簡化，以減少計算網(wǎng)格數(shù)量。

簡化模型后網(wǎng)格劃分情況見圖10所示。

圖10 求解及網(wǎng)格劃分

3.2.2 仿真計算條件

機架各模塊的熱耗見表1，總熱耗1 070 W。

表1 模塊熱耗分布

溫度：環(huán)境溫度+71 ℃。

3.2.3 仿真計算結果

1）機架仿真結果

機架整體風速分布如圖11所示，模塊之間的風速位于（5.5～17.2）m/s之間。機架整體溫度云圖如圖12所示，模塊表面溫度位于（72.7～88.5）℃之間。風機工作點示意見圖13所示，位于推薦的工作區(qū)內。

圖11 機架整體風速云圖

圖12 機架整體溫度分布云圖

圖13 風機工作點示意圖

2）模塊仿真結果

選取了熱耗較高，發(fā)熱器件種類較多的典型模塊進行了仿真分析，其溫度云圖如圖14所示，器件的仿真殼溫位于（80.2～86.6）℃之間，低于（90～150）℃的許用殼溫，模塊能夠正常工作。

圖14 典型模塊溫度分布云圖

4 進階設計

4.1 風機的自我保護設計

一般工業(yè)級風機工作的最低溫度為-20 ℃，本項目中要求低溫工作溫度為-55 ℃，遠遠超過其工作溫度，一般風機運轉需要潤滑油，當溫度過低使得潤滑油凝固，風機強行運轉，將帶來極大的傷害。改進措施之一是：讓風機工作在允許的溫度范圍內，當過低時讓風機停止工作[5]。

風機低溫保護電路的原理如圖15所示。其中N1是AD22100型溫度傳感器，將采集的環(huán)境溫度信息轉換成為電壓信息，N2是AD822AR型雙運算放大器，將比較正負極電壓大小來選擇導通或截止，通過保護電路來控制場效應管V3，V3的電流輸入狀態(tài)決定了對風機電源輸入是否能夠導通到風機組件上。可以通過調整R2、R3的電阻值進行溫度控制點的設置。

圖15 風機低溫保護電路原理圖

外部電源首先經(jīng)過集成了電源變換、溫度控制等功能的風機電源控制單元，再給風機組件供電。當環(huán)境溫度（由溫度傳感器獲?。┑陀跍囟瓤刂泣c時，低溫保護電路斷開風機的電源，風機停止工作；反之，低溫保護電路接通風機的電源，風機工作。

在工程設計上，一般采用給設計溫度留足夠余量的方式來解決傳感器精度的問題，而不采用設計具有滯回作用的遲滯電路來保護風機的啟停，因為會增加硬件成本和重量并有可能會降低可靠性。

采用了AD22100型溫度傳感器，功能框圖如圖16所示。

圖16 溫度傳感器功能框圖

取風機保護溫度點TA為-10 ℃，留有余量10 ℃，根據(jù)N1手冊上的輸出電壓計算公式：

VCC=+5 V，計算得到VN1OUT=1.15 V。

假設VN2+=VN2-，可得下式：

R1一般取值較大，起限流保護作用，因此：

計算得：R3=3.3R2，根據(jù)現(xiàn)有商品電阻選取，R2選擇RC05K362型，阻值3.6 kΩ，R3選擇RC05K112J型，阻值1.1 kΩ，R1選擇RC05K103J型，阻值10 kΩ，帶入上式進行校核計算，TA=-9 ℃，當溫度傳感器識別到環(huán)境溫度低于-9 ℃時，風機保護電路發(fā)揮作用，切斷風機的供電，風機停轉，避免了因低溫潤滑不好風機轉軸的磨損破壞。

4.2 風機的自我故障上報設計

當一個或多個風機出現(xiàn)故障時，如果不能及時上報，會對模塊的散熱產(chǎn)生很大影響，進而影響模塊及系統(tǒng)的正常工作，需要及時定位和更換故障風機，因此風機的故障報警顯得尤為重要。

首先，在風機的選擇上，需要選擇帶狀態(tài)輸出的風機。風機有兩種，一種是傳統(tǒng)的只有正負極的風機，另外一種是除開正負極還有一根狀態(tài)輸出引線的風機。需要選擇帶狀態(tài)輸出的風機，及時能夠輸出風機的狀態(tài)，上報至系統(tǒng)進行監(jiān)測，其接線圖見圖17所示。

圖17 風機接線圖

當風機正常工作時輸出低電平，當風機故障時輸出高電平，通過系統(tǒng)信號處理模塊將狀態(tài)信息反饋到操作界面，進行實時提醒。

單獨設計故障報警電路提供信號給機架面板的指示燈上來反映風機的工作狀態(tài)。不接入系統(tǒng)，也可實時發(fā)現(xiàn)風機的狀態(tài)信息。見圖18所示。

圖18 故障報警功能框圖

FAN_FX為每個風機的狀態(tài)輸出線，通過限流電阻RX接入電源，當風機正常工作時，狀態(tài)輸出保持低電平，限流電阻RX中有電流通過，而發(fā)光二極管VDX和限流電阻RLX中沒有電流，光耦處于截止狀態(tài)，指示燈不亮。當風機損壞或堵轉時，風機輸出高電平，光耦處于開通狀態(tài)，指示燈點亮，警示需更換風機。

5 結束語

該綜合模塊化航空電子機架在高溫實驗室環(huán)境試驗中工作正常，表明采用的散熱設計有效。

模塊采用屏蔽盒形式，在表面進行了防腐設計，機架風道內也進行了防腐設計，預計能夠滿足電磁屏蔽要求和酸性鹽霧環(huán)境要求，在后續(xù)的電磁兼容試驗和環(huán)境試驗中進一步驗證。

綜合模塊化航空電子機架散熱設計的核心是模塊內的芯片能夠散熱，主要目標是滿足在高溫環(huán)境下機架能夠正常工作。在滿足散熱的前提下，散熱設計需要綜合考慮重量、尺寸、冷卻資源等裝機使用要求、電磁兼容要求和環(huán)境適應性要求。只有滿足了復雜環(huán)境下的設計，才是一個均衡的、合理的、綜合性的散熱設計。