發射裝置電路盒散熱技術及其應用

王 團

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽，471009）

1 引言

導彈發射裝置是連接飛機航電武器系統和空空導彈的橋梁和紐帶，起著承上啟下的作用。而發射裝置中的電路盒，介于飛機航電系統與導彈之間，與航電系統配合，通過信息交聯完成對導彈的識別、供電、準備和發射。因此電路盒能否正常工作是直接決定導彈能否順利發射的關鍵。

本文對發射裝置電路盒的電氣設計、結構特點進行分析，并總結其散熱特點。

2 散熱性對電路盒性能的影響

高溫對大多數電子元器件產生嚴重的影響，它會導致電子元器件的失效，進而引起整個設備的失效。導彈發射裝置電路盒的主要失效形式就是電子元器件熱失效。據統計，電子產品的失效有55%是溫度超過規定值引起的。功率器件熱設計是電路盒結構設計中不可忽略的一個環節，直接決定了產品的成功與否，良好的熱設計是保證電路盒運行穩定可靠的基礎。

3 電路盒的熱設計

在電路盒的內部，功率的損失一般都以熱能的形式散發出來。散熱設計的主要依據是熱力學第二定律：只要有溫度差存在，熱量總是自發地從高溫物體傳向低溫物體。熱學設計應包含以下三個內容：（1）通過版圖和結構設計，使元器件在工作狀態下產生的熱能量均勻散布在整個有源區內，盡量消除可能形成的熱斑。大功率器件可采用計算機輔助分析技術確定溫度的二維或者三維分布，通過計算機輔助設計技術設計多胞并聯圖案、非均勻鎮流電阻、輸入端起功率均分作用的匹配網絡等。（2）盡量降低器件的熱阻和峰值結溫，提高器件的工作壽命。（3）器件內部結構材料的熱匹配設計。

3.1 熱設計的計算

電路盒中的熱量主要由電源變壓器、集成電路（大功率器件）等產生。設計之初，首先計算電路盒中將會產生熱量的大小，同時借鑒以往型號的經驗對電路盒進行散熱部分在內的結構設計，并利用試制樣機進行溫度驗證。如果不符合設計要求，可采取增加散熱面積、提高散熱路徑的熱傳導系數，或改變元器件布局設計等措施。

以某型導彈為例，該導彈工作時所需電壓為±27±1.5V，而載機提供的電源為400Hz 115V。導彈工作時所需電壓通過發射裝置中的電路盒進行降壓轉換。設計采用線性電源，即將機上400Hz電源經降壓、整流、濾波、穩壓，轉換為直流電源供導彈使用，降壓原理如圖1所示。

圖1 電路盒降壓示意圖

變壓器功率為50W，該降壓過程是電路盒中熱量的主要來源之一。整個電壓轉換電路中主要發熱器件有4T1變壓器、4NJ1、4NJ2三端可調穩壓器，其次是印制板電路中使用的大功率電容和二極管等。

針對電路盒中熱量產生可以通過電路熱分析仿真模擬來實現。現在工程上一般使用FLOTHERM專業電子熱分析軟件。該軟件使用時首先通過建立幾何模型、然后設定電子設備的幾何參數、發熱元件的發熱功耗、電子設備的材料物性參數（熱傳導率、密度和比熱容等）、工作環境參數（壓力、溫度）、最后劃分網格，經過后置處理得出熱源程度及分布區域。

3.2 熱設計的實現方式

電氣設備的散熱方法有自然冷卻法、強迫空氣冷卻法以及直接液體冷卻法等。電路盒的外形設計主要根據發射裝置殼體內腔提供的可用空間確定其外形尺寸，進行結構設計。因發射裝置殼體內腔空間結構狹小，同時電路盒還要應對各種復雜氣候環境的影響，因此對結構密封性及可靠性提出了嚴格的要求。

基于上述因素考慮，電路盒的散熱方式只能采用自然散熱。對于自然散熱，傳熱有三種基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。本文主要從以下三方面入手：

（1）新型集成電路的應用；

（2）電氣結構布局；

（3）散熱性能好的輔助材料。

3.2.1 新型集成電路的應用

電路盒具有體積小的特點，因此需要盡量減少印制板（簡稱PCB）的封裝面積。隨著電子技術的發展，導彈發控系統的電路已由原來的模擬電路逐步轉變為數字電路。隨著芯片制造工藝的不斷發展，利用元器件集成等技術使得芯片性能得到了增強。新產品的最大功耗和以前基本相同，發熱量也幾乎沒有變化，但隨著PCB板面積的縮小，熱密度卻增大了很多。

3.2.2 電氣結構布局

當采用自然冷卻方法時，電路盒內的電子元器件布置具有重要意義。由于在外罩內存在垂直溫度梯度問題，所以有幾項基本規則是必須遵守的：

（1）應把對溫度敏感的元器件放在底部，絕不可直接處于發熱元器件之上；

（2）元器件的布置應按其允許的溫度進行分級，溫度比較高的應該放在溫度比較低的元器件上；

（3）應該按計算的傳熱系數確定元器件的排列方向以獲得最佳的自然對流，一般認為應把元器件最長的尺寸垂直放置；

（4）垂直安裝的元器件在水平方向的排列應該交錯布置；

（5）大的熱源所處位置不應與其他元器件呈一條垂直線，并在水平方向上的距離應盡可能大；

（6）大的熱源一般應盡可能靠近溫度最低的表面，并與表面有傳導接觸。溫度最低的表面一般是金屬外殼的內表面、金屬底座及金屬支架；

（7）預先確定導體的橫截面并盡量縮短特定區域內的熱通路，防止熱量流入不應進入的通路。

散熱方式可以分為主動散熱和被動散熱兩種。發射裝置電路盒因其密封性要求及空間狹小的特點，采用的散熱方式一般為被動式。在變壓器頂部設計安裝有散熱片，在安裝時散熱片緊貼需要散熱的部位，吸收熱量并增大散熱表面積以實現散熱。散熱片通常用整體加工出平行肋片式形狀，所選材料主要為導熱性能良好的銅、鋁和鋼等。某型散熱片采用的結構如圖2所示。該散熱片用鋸齒刀加工出深約10mm的平行槽，增大了有效散熱面積，加快了變壓器熱量的散失。

圖2 某型電路盒散熱片結構示意圖

印制板組裝件之間的間距，一般應控制在19mm～21mm之間。圖3所示為某型電路盒印制板裝配示意圖。該型電路盒從下到上依次安裝四塊繼電器印制板，通過散熱性能好的銅材立柱固定，良好的間距使得繼電器印制板產生的熱量能夠有效地輻射出去。

圖3 某型電路盒的內部結構示意圖

對于所有傳導熱量的接觸面（如底板、前后端蓋、外罩等）應該平整光滑，有較低的表面粗糙度，采用導熱系數高的金屬材料?？紤]到材料重量因素，首先推薦選用材質輕的鋁合金板材；并增加需要散熱元件和模塊的導熱接觸面積。

3.2.3 輔助材料

選用導熱性能良好的輔助材料能夠有助于熱量的散失，有效提高散熱性。對高低不平的導熱面可以采用導熱絕緣海綿橡膠板作為傳熱層；在功率器件、散熱器和絕緣片之間的所有接觸面處應涂導熱膏或加導熱絕緣硅橡膠片。采用聚四氟乙烯及云母之類柔軟和可彎曲的材料可以部分補償表面質量缺陷，在電路盒裝配接觸面涂抹硅有機樹脂合成物可大大減少接觸熱阻。另外電路盒裝配時，因接觸熱阻隨零件表面平滑度和旋緊螺釘所施加的力矩的不同而有差異，因此各連接部件在安裝固定時應按規定的力矩或接觸壓力固定，使其能夠在接觸面提供有效熱阻。

4 結論

本文總結了電路盒的散熱特點，同時通過正確恰當的熱分析仿真能夠在設計初期及時發現電路盒中熱源的產生部位及大小，在結構布局時采取有效的應對措施。通過散熱技術在發射裝置電路盒設計裝配過程中的應用，提高了電路盒工作的可靠性，使得產品性能能夠得到更好的發揮。

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