空間光學遙感器大功率控制電箱的熱設計

關奉偉，劉 巨

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

空間光學遙感器大功率控制電箱的熱設計

關奉偉*，劉 巨

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

根據空間應用電子設備的熱控要求，對空間光學遙感器的控制電箱進行了熱控設計。首先，總結了空間電子設備的熱設計原則。針對空間光學遙感器控制電箱介紹了相應的熱設計流程，對典型的大功率器件進行了溫差推算，并說明了電箱的各電路板和大功率元器件的熱設計方案。最后，通過熱分析和熱試驗手段對熱控電箱的熱控方案進行了驗證。試驗結果表明：控制電箱的整機穩態工況熱平衡溫度小于30℃，各元器件的最高殼溫在54.2℃以內。結果驗證了該設計方案完全滿足設計指標要求。

空間光學遙感器；控制電箱；熱設計

1 引 言

空間光學遙感器近年來取得了快速發展，目前已廣泛應用于資源勘查、對地監視以及國土測繪等領域。該類遙感器的整機設計涵蓋了應用光學、機械設計、電子電路系統、熱以及力學環境保障等學科，其中控制電箱、焦面電箱等電子設備作為整機主要分系統之一，發揮了非常重要的作用。近些年隨著空間光學遙感器的快速發展，相應配套電子設備的布局越發緊湊，封裝密度日益增高，設備及器件熱耗呈現了指數級的遞增趨勢［1］，從而使得空間電子設備的熱控設計變得異常緊迫和急切。據統計，當前電子器件損壞的主要原因為熱損壞和工作溫度超限［2］。

20世紀50年代，伴隨著航天工業的起步及發展，空間電子設備得到了大量應用，與之相應的熱控制技術也得到了快速發展［3］。目前國外已經取得了大量基礎性、應用性的研究成果［4-11］，除此之外，國外對預研性、前瞻性的散熱技術研究也取得了諸多實質性的進展，包括每平方厘米千瓦級的散熱技術早已立項研究，甚至每平方厘米萬瓦級的散熱技術探索也已經納入了遠期目標［12］。對比國外，國內對電子設備的散熱研究相對較晚，并且發展之初也未引起行業內足夠重視［13］，不過隨著近些年國內電子工業的飛速發展，電子設備散熱問題的日益突出，業內已經普遍意識到了散熱技術發展的迫切性，目前對于整機級、電路板級以及器件級的散熱研究均取得了不少研究成果［14-21］，不過對于創新性的、探索性的散熱技術研究還很不足［12］，尤其是對于空間應用的電子設備。空間電子設備的高集成度和高熱流密度需要進行系統細致的熱控設計，并且在設計過程中要充分考慮各分系統之間設計參數的制約和協同，在保證散熱設計有效性和合理性的同時，盡可能降低散熱措施的復雜性，提高整機系統的可靠性。

本文針對某空間光學遙感器的大功率控制電箱，依據熱設計流程和原則進行了芯片級、板級熱設計，并通過計算機仿真分析及熱平衡試驗等手段，驗證了設計方案的正確性和有效性。試驗及仿真結果均表明，控制電箱的熱控設計滿足指標要求，散熱措施合理有效。

2 設計原則及流程

對于空間電子設備的研制，傳統上通常采用串行設計方法，各分系統的設計人員獨立進行各自的設計工作。由于熱控分系統的任務特質，熱控設計往往處于電子設備研制的末端環節，選取熱控措施面臨諸多制約，熱控設計面臨很大難度，對于結構緊湊、高熱流密度的電子設備尤其明顯。對于空間應用大功耗電子設備，熱控設計應該是貫穿電子設備研制的始終，對材料選擇、器件布局、主體結構等各環節進行綜合考量，做到在保證熱控設計有效性的同時，盡量降低熱控措施的復雜性。

依據電子學分系統、結構分系統、熱控分系統并行設計的原則，大功率控制電箱的設計還應遵循以下原則：

（1）在滿足使用需求的情況下，選擇功耗低、溫度穩定性好和耐溫范圍寬的元器件；

（2）電子學器件的布局應充分考慮熱流分布，盡量避免熱耗過于集中，降低熱設計難度；

（3）電路板件應選取具有內部導熱通路的板材，增強自身導熱性能；

（4）結構系統在滿足強度、重量等要求的情況下，盡量選用導熱率高的基材；

（5）結構系統所用材料應易于進行染黑等表面處理；

（6）結構組件與電路板件的連接面要求光滑平整，并且在允許的情況下，擴大接觸面積，盡可能利用設備的結構進行傳熱；

（7）熱功耗大的元器件盡可能靠近電路板框架或者機箱殼體，如有必要，可以直接將元器件安裝在箱體上，并且盡量使熱控措施與整機結構進行一體化設計，在保證散熱效果的同時，可以降低熱控系統的復雜性；

（8）使元器件的絕大部分熱量沿著散熱路徑傳到設備的底板或機箱殼體上；

（9）將與控制電箱連接的安裝板作為散熱的熱沉。

依據上述設計原則，得到空間光學遙感器控制電箱的熱設計流程，如圖1所示。

圖1 控制電箱熱設計流程圖Fig.1 Thermal design flow chart of electronic control cabinet

3 理論計算

3.1 大功率器件溫差計算

控制電箱的熱設計應該重點關注大功率器件及熱量“集中”區域，針對大功耗器件等應首先進行理論推算，確定有無采取熱控設計的必要，原則上盡可能通過調整電子學器件布局、利用機械結構解決器件散熱問題。如需采取針對性的熱控措施，也應盡可能與機械結構并行設計。下面以某空間光學遙感器控制電箱的CPU芯片為例，依據上述設計思路，進行理論推導。CPU芯片為控制板上的主要發熱器件，將其安置于控制板上利于散熱的位置，具體布局示意圖如圖2所示。

圖2 CPU芯片布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of CPU chip layout

CPU芯片通過以下兩種方式進行散熱：一是熱量傳導至控制板，再通過控制板傳至電路板框架、控制電箱箱體，最終傳至衛星設備艙；二是直接向周邊環境輻射散熱。器件的導熱路徑及熱阻分析如圖3所示。

圖3 CPU芯片導熱路徑Fig.3 Heat conduction path of CPU chip

依據上述導熱路徑，對CPU進行熱阻分析，圖3中各符號意義見表1。

表1 CPU導熱路徑符號含義Tab.1 Symbolmeanings of CPU heat conduction path

導熱路徑中接觸熱阻的計算公式為：

自身熱阻的計算公式為：

上述式（1）和（2）中各符號的意義見表2。

表2 熱阻計算公式符號含義Tab.2 Symbolmeanings of heat resistance formula

依據控制電箱各部件的實際結構及接觸表面的實際情況，上述各參數的取值見表3。

表3 熱阻計算公式參數取值Tab.3 Parameter values of heat resistance formula

將上表各數值代入式（1）和（2）中，得出各熱阻值見表4。

表4 熱阻計算值Tab.4 Calculated values of heat resistance

3.2 熱控后的溫差計算

根據CPU器件的結構特點，在CPU頂部增設散熱片，從而為器件增加一條導熱路徑，此導熱路徑分析如圖4所示。

圖4 CPU頂部散熱路徑Fig.4 Heat transfer path of CPU top

從圖4中可知，CPU頂部增設了散熱片以后，熱量通過器件頂部銅導熱區域，導至散熱片（散熱片與CPU頂部之間填涂導熱硅膠），然后通過散熱片導至電路板框架，之后的導熱路徑與3.1節的分析相同。頂部散熱的熱阻分析與3.1節相似，下面直接列出計算結果，具體數值見表5。

表5 CPU頂部散熱熱阻計算值Tab.5 Calculated values of heat transfer heat resistance for CPU top

由上述推算可知，CPU器件在增加熱控措施前后的溫差很大，熱控設計的效果非常顯著，對于控制電箱其余大功率器件的理論推算同樣采用上述方法，然后依據各器件的降額使用要求以及熱沉溫度水平來確定控制電箱所有需要進行熱控設計的元器件。

4 設計方案

依據熱設計流程及原則對所有需要采取散熱措施的大功率器件進行熱控設計，下面對控制電箱的芯片級熱設計進行詳細說明。

對于空間電子設備來講，傳導和輻射是設備散熱的主要方法。由于傳導及輻射導熱在效率方面差異顯著，在進行控制電箱的熱設計時，首先應著眼于增強熱聚集區域的導熱能力，其次應著重提高器件、組件的表面發射率，以增強輻射換熱并勻化內部溫度。

根據控制電箱的結構特點及功耗分布，采用從器件底部或頂部增強導熱的方式往往效果較好，并且較易實現，所以大功率元器件首先考慮從底部或頂部導熱，如果難以實現的話，再考慮采用周向導熱。由于器件的底部散熱更易于與機械結構進行整體設計，所以器件的底部散熱設計應作為首選的設計方案。

依據器件的自身結構特點及安裝方式可知，器件與電路板之間的熱阻通常較大，引腳式器件更為顯著。另外，電路板件自身導熱性普遍較差，所以對于大功率器件單純依靠PCB板的散熱通常難以滿足要求，多需要對各大功率器件增加額外的導熱路徑。本文依據控制電箱大功率器件的具體構型及實際功耗，對各器件采取了針對性的熱控設計，例如對于與PCB板接觸面積較大的器件在底部增設了散熱片；對散熱片與電路板框架進行了整體設計，從而去除了散熱片與框架間的接觸熱阻；器件與底部散熱片之間填涂導熱脂或者導熱硅橡膠，這樣器件的大部分熱量通過散熱片直接傳導至電路板框架，再由框架傳至控制電箱箱體，再將熱量散至熱沉。控制電箱某電阻器件底部散熱的設計方案如圖5所示，電阻器件的功耗大部分通過底部散熱片傳到電路板框架，然后通過框架傳導至箱體，再排散到熱沉。

圖5 某型電阻器件設計方案示意圖Fig.5 Design schematic diagram ofa resistance component

對于熱量聚集在頂部或者不便在底部采取熱控措施的器件，采用在器件頂部增設散熱壓片，考慮器件的焊接以及更換等因素，頂部散熱壓片與電路板框架通常采用分體設計，為減小散熱壓片與框架間的接觸熱阻，在連接面處涂覆導熱脂或者導熱硅橡膠以增強連接面處導熱系數，熱量通過頂部散熱壓片導至電路板框架，再由框架導至箱體散至熱沉。控制電箱某芯片器件頂部散熱的設計方案如圖6所示。

控制電箱的器件熱設計需要對各器件采取針對性的設計方案，并且需要滿足相應的重量、器件布局等的要求。除此之外，電路板框架在結構系統允許的情況下，應盡量選用高導熱性的材料（如鋁合金），并在框架與控制電箱箱體的接觸面涂覆導熱填料，以減小熱阻，電路板框架的外表面均做染黑處理，以提高發射率。控制電箱安裝于衛星設備艙，箱體與設備艙的連接面之間填涂導熱脂，箱體表面做染黑處理，增強與衛星設備艙內環境的換熱。

圖6 某型芯片器件設計方案示意圖Fig.6 Design schematic diagram of a chip device

5 仿真分析

利用NX仿真平臺的空間系統熱模塊進行熱分析。首先建立控制電箱的屏幕樣機，然后對整機結構及元器件、電路板件等進行合理簡化，依據電箱的結構及傳熱特點進行網格劃分，從而建立整機有限元模型，如圖7所示，模型中定義的材料屬性見表6，接觸熱導率見表7，大功率元器件的熱耗見表8。

圖7 相機控制電箱有限元模型Fig.7 Finite elementmodel of electric control cabinet

表6 材料屬性Tab.6 M aterial attributes

表7 接觸熱導率Tab.7 Contact heat conductance

表8 大功率器件熱耗Tab.8 Powers of high power electronic com ponents

單個軌道周期內，控制電箱的工作時間不超過12 min，熱分析時采取極端工況，熱沉溫度取為溫度上限20℃，具體的工況條件見表9。

表9 工況條件說明Tab.9 Description of work states

分析時重點關注控制電箱的控制板、接口板以及電源板上的大功率器件在工況期間的平衡溫度及峰值溫度等，控制電箱的穩態工況溫度場如圖8所示。

圖8 穩態工況熱平衡溫度場Fig.8 Heat balance temperature field of steady state

從圖8可知，控制電箱達到熱平衡時所有器件和構件的溫度水平都在30℃以下，接口板某型電阻器件的平衡溫度最高，約為28.5℃。第4小節所述的電阻器件在工況期間的溫度曲線如圖9所示，芯片器件在工況期間的溫度曲線如圖10所示。

圖9 電阻器件溫度水平變化Fig.9 Temperature curve of the resistance component

圖10 芯片器件溫度水平變化Fig.10 Temperature curve of the chip device

從圖9可以看出，上述器件在工況期間溫度呈周期性波動，每個軌道周期上電工作時溫度迅速上升，上電結束后溫度迅速回落，經過多個軌道周期的上電工作，元器件的峰值溫度收斂趨勢已經非常明顯，連續的多軌道周期工作，器件溫度已經達到了瞬態平衡，由此可以說明控制電箱具備連續多軌道周期上電工作的能力。

工況期間各元器件的峰值溫度統計見表10，可以看出，工況期間各器件的溫度水平均滿足相應的降額指標要求。

表10 大功耗元器件溫度數據Tab.10 Temperatures of high power electronic components

6 熱試驗

為獲取整機溫度分布數據，從而驗證熱設計的正確性，并且完善熱分析數學模型，進而為熱設計優化提供參考和依據，對控制電箱進行了系統級的熱平衡試驗，考察了控制電箱的溫度水平和溫度變化。

6.1 試驗系統組成

本次熱平衡試驗裝置包括真空環境模擬系統、在軌星載荷艙模擬系統、控制電箱負載加載系統、測溫元件及測溫系統等，試驗裝置如圖11所示。

圖11 試驗裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of test equipment

圖12 電阻器件溫度曲線Fig.12 Temperature curve of the resistance component

在大功率器件表面及電路板重點關注區域粘貼T型銅-康銅熱電偶，利用KEITHLEY測溫儀采集溫度數據，經過后處理得到各器件在工況期間的殼溫變化曲線。

6.2 試驗條件及結果

試驗條件與熱分析的工況條件保持一致，試驗過程中空間環境真空度≤1.3×10-3Pa，環境溫度設定在20℃。按照瞬態工況條件對控制電箱進行加載，模擬控制電箱連續多軌道周期上電工作，試驗直至達到瞬態熱平衡為止。控制電箱在連續4個試驗周期的對應時刻，監測點溫度值的變化在±1℃以內時，可判定試驗達到瞬態熱平衡，經過連續8個軌道周期的試驗，依據上述判據，判定控制電箱達到了瞬態熱平衡。電阻器件及芯片器件的溫度曲線如圖12及圖13所示。

試驗的大功率器件峰值溫度數據統計見表11。從表中可以看出，器件的溫度水平完全滿足降額殼溫指標，并且仿真結果與試驗數據吻合得也很好，誤差均在2.7℃以內，通過控制電箱的熱平衡試驗進一步驗證了熱控方案的正確性和合理性。

圖13 芯片器件溫度曲線Fig.13 Temperature curve of the chip device

表11 試驗溫度數據統計Tab.11 Statistic of test temperature data

7 結 論

本文根據空間應用電子設備的設計流程和設計原則，對某空間光學遙感器的大功率控制電箱進行了熱控設計，對各大功率元器件采取了針對性的熱控措施，通過熱分析及熱平衡試驗手段對控制電箱的熱控方案進行了充分考核和驗證。

研究結果表明，控制電箱的整機穩態工況熱平衡溫度水平＜30℃，各器件的瞬態工況峰值溫度≤54.2℃，完全滿足器件的一級降額殼溫要求，說明熱控設計方案合理可行，熱控措施正確有效。

目前空間應用電子設備沿著高熱流密度和高集成度的方向快速發展，這種發展趨勢對相應的熱控設計提出了越來越苛刻的要求，今后設備研制中機械、電子及熱控的并行一體化設計將會是發展趨勢，有關課題還需進一步探討和研究。本文所探討的大功率控制電箱的設計思路和方案可以為其它空間應用電子設備的熱控設計提供參考和依據。

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Thermal design of high power electronic control cabinet of space optical remote sensor

GUAN Feng-wei*，LIU Ju
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：buaaguan@sina.com

A high power electronic control cabinet for space optical remote sensors was designed according to the design demands of space electronic equipment.Firstly，the thermal design principle was summarized for space electronic equipment.Then，the thermal design process of the electronic cabinet was generalized，the temperature difference of typical high power electronic components was calculated and the thermal design schemes of printed circuit boards and high power electronic componentswere introduced.Finally，the design schemeswere validated by the means of thermal analysis and thermal test.The test results indicate that the thermal balance temperature of the electronic control cabinet is less than 30℃in a stable working state and the shell temperatures of electronic components are under 54.2℃，which proves that the design schemes fully meet the design requirements of thermal control.

space optical remote sensor；electronic control cabinet；thermal design

V443.4

A

10.3788/CO.20130606.0919

關奉偉（1984—），男，內蒙古通遼人，碩士，助理研究員，2007年、2010年于北京航空航天大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事空間光學遙感器熱控設計、熱分析、熱試驗等方面的研究。E-mail：buaaguan@sina.com

劉 巨（1974—），男，吉林省吉林市人，博士，副研究員，2005年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事空間光學儀器熱設計、熱分析、熱試驗等方面的研究工作。E-mail：yanwuqiu@aliyun.com

1674-2915（2013）06-0919-11

2013-07-09；

2013-10-13

國家自然科學基金資助項目（No.60506014）