某机载电子设备热设计
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摘 要： 为了提高机载电子设备的冷却散热性能，保证设备可靠稳定工作，采用热仿真方法，对某机载电子设备进行了热设计。根据设备结构特点，提出了多种不同的设计方案，并对其进行了对比分析。综合考虑设备散热效果及可维修性，确定了最优的设计方案，实现了对某机载电子设备的热设计。该热设计方案已随电气设计和结构设计一起通过了各项验证试验，使用情况良好，同时，也为同类型机载电子设备热设计提供了较大的参考价值。
关键词： 机载； 电子设备； 热设计； 热仿真
中图分类号： TN806?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）03?0151?03
0 引 言
随着微电子技术和集成电路的飞速发展，机载电子设备也呈现出高性能、小型化的发展趋势，与此同时，电子设备所处环境更为恶劣，面临的挑战更加严峻，使得其热流密度急剧增大，元器件温度不断升高，产品可靠性逐渐降低。电子设备的散热问题日益严重，工程师在设计阶段对电子设备的热布局越来越重视，因此，热设计成为电子设备结构设计的一个关键环节[1?4]。
热设计的方法主要有试验、类比和仿真。试验方法能够准确得到设备内部关键元器件的温度分布，但是必须设计、生产实验样机，改进热设计的代价较大；类比方法操作方便、简单易行，但是只有同类型或者相似类型的产品可以比较，新研发的产品没有类比的基础，不可能得出类比结果；热仿真采用数学手段，能够比较真实地模拟设备的热状况，在方案阶段就能发现产品的热缺陷，从而改进设计，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，降低资源消耗，缩短开发周期，提高产品的一次性成功率，为产品设计的合理性及可靠性提供有力保障[5?7]。
本文采用热仿真方法，对某机载电子设备进行热设计[8?10]。针对设备结构特点，提出多种不同的设计方案并对其进行了对比分析，确定最优的结构设计方案，指导某机载电子设备热设计。
1 热设计依据
根据电气功能设计要求，某机载电子设备由1个电源模块和4个功能模块组成，各模块安装顺序如图1所示，其中，模块4为电源模块，其余模块为功能模块。设备总功耗约30 W，电源模块功耗约10 W，模块3功耗约10 W，其余模块功耗共计10 W左右。设备所处外部环境温度为70 ℃，采用自然对流冷却散热方式，模块内部关键元器件允许的最高工作温度为105 ℃。
2 热设计过程
2.1 整机热设计
对某机载电子设备整机进行热仿真，仿真结果如图2所示。由图2可以看出，设备内部温度最高点为模块3上某处器件比较集中的区域，最高温度达到111 ℃左右，超过了元器件允许的最高工作温度，其他模块温度分布相对比较均匀，平均温度不超过100 ℃，基本接近元器件允许的最高工作温度。
考虑到整机热量集中于设备中部模块3上热流密度较大的区域，因此，调整设备整体结构布局，提出如下几种热设计方案：
方案一：将模块3与模块1调整位置，并旋转模块3的方向使得器件面朝上，保证模块3及其上布置的元器件靠近侧板以利于散热；
方案二：将模块3上发热量较大的元器件直接布在中导轨上以利于散热；
方案三：将模块3上发热量较大的元器件直接布在侧板上以利于散热；
方案四：将模块3上发热量较大的元器件紧贴横梁以利于散热；
方案五：将模块3上发热量较大的元器件紧贴横梁及侧板以利于散热。
对上述几种不同的热设计方案进行仿真对比，得到整机温度场分布如图3～图7所示。
2.2 模块热设计
整机热仿真结果表明，设备内部温度最高点集中在模块3上，因此，着重对模块3进行热设计。模块3上主要发热元器件布局如图8所示，图中虚线框内的6个元器件功耗合计5 W以上且集中布局，局部热流密度较大，因此，温度相对较高。模块热设计过程中，在兼顾电性能的前提下，将这6个功率集中的元器件布局略微调整，如图9所示，调整前后的模块热仿真结果分别如图10，图11所示。
3 热设计分析
对上述五种不同方案的结构布局及散热效果对比分析如下：
方案一通过改变模块3的位置及器件面朝向，使得大功耗元器件靠近侧板但没有与侧板金属壳体接触，散热效果较之原始布局略有增强但并不明显；
方案二和方案三将模块3上发热量较大的元器件直接布置在导轨或侧板上而不是布置在印制板上，通过导轨或侧板将大功耗元器件的热量完全散失，由于导轨或侧板是纯金属壳体，导热系数大，因此，此种布局方式换热效果较好，大功耗元器件集中区域最高温度仅为99.3 ℃，但是这种布局方式将元器件完全固定在电子设备的侧板或导轨等结构部件上，可维修性较差；
方案四将模块3上发热量较大的元器件紧贴横梁，通过横梁和盖板的接触将热量散失，与方案二和方案三相比，接触热阻多，传热路径长，散热效果差，但是，在使用过程中出现故障时可以仅将模块3拆卸维修，现场可更换性强；
方案五将模块3上发热量较大的元器件一面紧贴侧板，另一面紧贴横梁，大功耗元器件产生的热量通过侧板以及横梁和盖板同时散失，元器件集中区域最高温度仅为98.8 ℃，完全可以满足整个设备的使用要求，同时兼顾了设备的维修性。
通过上述对比分析，选择方案五作为某机载电子设备结构设计方案，并在此基础上，对模块3上元器件布局进一步调整，调整以后的模块3局部热流密度有所降低，元器件温度降低了约4 ℃左右，由于考虑电性能的要求，模块3上功耗集中区域的元器件不能过于分散布局，因此，调整布局以后的元器件温度并没有降低太多，但是，完全能够满足元器件使用温度要求。
4 结 语
通过对比多种不同的热设计方案，综合考虑散热效果及可维修性，选择了最优的热设计方案并据此开展了结构设计工作，某机载电子设备的热设计已随电气设计和结构设计一起通过了各项验证试验，现已成功交付用户，使用情况良好。同时，本文提出的热设计方案也为同类型机载电子设备热设计尤其是采用类比方法进行热设计时提供了较大的参考价值。
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