某便攜式功放機箱設計

張義軍 潘永強

摘要：?機箱作為電子設備的一種典型結構，本文介紹了其設計的一些基本要求，并結合某型雷達接收系統功放機箱的特點，介紹了人機工程、熱設計等相關設計技術在機箱結構設計中的應用與實現。

關鍵詞：?機箱;人機工程;熱設計

引言

機箱是工業自動化控制設備、儀器儀表、電器及其余軍民用電子設備的典型構件。機箱多為矩形六面體，主要由底座、面板和機殼等零件組成，其設計的基本要求有[1]：

（1）保證產品技術指標的實現，包括環境條件、可靠性、維修性、重量、尺寸、強度、安裝方式、結構與電訊接口、安全性、電磁兼容性、熱特性以及其他特殊要求。

（2）便于設備的操作與安裝，為了能有效地操作和使用設備，必須使機箱的結構設計符合人的心理和生理特點，并力求結構簡單、拆裝方便。

（3）良好的結構工藝性，結構與工藝是密切相關的，不同的結構對應不同的工藝，良好的結構設計可以簡化工藝并降低工藝設計的難度，從而降低加工的成本和難度、縮短加工周期，更好地保證產品的質量。

隨著電子技術的快速發展，機箱結構面臨小型化、積木化、標準化的發展趨勢，但由于使用的范圍廣，所處環境平臺也大不相同（如艦載、車載、機載、地下、海中等），因此對機箱的設計要求也不盡相同。某型雷達接收系統功放機箱的特點是體積小、發熱量大，便攜式、儀表型。本文從總體設計、人機工程和熱設計的角度，介紹了該功放機箱在功能特點實現過程中的設計思路與方法。

1.?功放機箱設計

該功放機箱用于產品技術指標的測試，內部裝有：初級放大組件模塊、末級放大組件模塊、開關電源。

具體設計要求有：體積小、重量輕，結構適合野外放置，便攜式儀表型，初級放大組件、末級放大組件表面溫度不超過60℃，功率輸出為200W的連續波，功率輸入和輸出采用射頻頭，帶有電壓指示和電壓調節功能，面板裝有電源開關并帶有工作指示燈。

1.1總體設計

該機箱屬便攜式儀表型，根據機箱中各設備的外形尺寸，在保證結構緊湊的前提下，確定機箱的外形尺寸為400×160×425mm?，箱體由面板、后板、左側板、右側板以及蓋板和底板組成（見圖1），相互之間采用螺釘連接。機箱面板上裝有把手、電源開關、輸入和輸出射頻頭、電壓指示表以及電壓調節旋鈕。底板上安裝初級放大組件、末級放大組件和開關電源，左側板上開有通風槽，右側板裝有散熱風扇、220V電源輸入座、接地樁和保險絲。機箱的后板和底板上分別裝有四個減振器支座。

圖1??機箱外形（去蓋板）

表1?各器件參數

器件

名稱

輸入

功率

輸出

功率

發熱量

效率

初級放大組件

50W

25W

25W

50%

末級放大組件

500W

250W

250W

50%

開關

電源

650W

550W

100W

85%

1.2人機工程及其它設計[2]

機箱上的接地樁和把手采用標準件，把手安裝在面板的左右兩側，以利于搬運。面板上的其它器件呈左右對稱分布。由于射頻輸出功率為200W，功率較大，所以采用N型射頻同軸連接器作為輸入輸出頭，并放置在面板下方，便于測試電纜的連接。電源和風扇共用一個開關，選用具備電源指示功能的KD2-22M型帶發光二極管自鎖按鈕開關。電壓指示表放置在面板中心偏上位置，以便于觀察。使用頻率最高的電壓調節旋鈕放置在面板右上角，以便于操作和調節。機箱的后板和底板上分別裝有四個減振器支座，既可平放于桌面，也適用于野外環境直立放置。220V電源輸入座、接地樁和保險絲放置于右側板上，在不影響野外直立放置使用的基礎上便于操作。考慮到強度和重量，左、右側板均采用1.5mm厚鋼板折彎、四角焊接的結構（如圖2所示），其余零件直接采用密度較小的鋁板加工。此外，機箱各結構件的設計在外型優化的基礎，還采用鈍角、圓邊等設計保證其安全性和涂覆可達性。

圖2??機箱左側板結構

機箱采用421丙烯酸聚氨酯磁漆進行表面涂覆。考慮到機箱僅在測試時才會在野外環境使用，結構設計時未作深入的密封防水設計考慮。

機箱的輸入功率為電源和風機的輸入功率之和，為690W，輸入電流4.4A，選用額定電流為4A的BGXP-1-4A型保險絲。

1.3熱設計

由于初級放大組件、末級放大組件、開關電源均安裝在封閉空間內，且熱耗較大，僅依靠自然散熱無法滿足器件正常工作要求，必須采用強迫風冷的散熱方式[3]。末級放大組件輸出最大功率250W。由表1的數據可知，機箱最大發熱量為：

Q=25+250+100=375W。

假設機箱處在30℃的環境下，風機出口空氣的溫度為40℃，根據熱平衡方程，機箱所需風量為：

V=Q/（CP×ρ×Δt）

=375/（1.2×1005×（40-30））

=?0.03m3/s=1.89m3/min

（CP—空氣的比熱;ρ—空氣的密度;

Δt—空氣進出口溫差）。

考慮到機箱內空間較大，若采用單風機，機箱內部分空間空氣流速較慢，將大大影響設備散熱效果，因此機箱配備兩個風機，考慮到風壓與風量的匹配關系，選用風量為2.1m3/min的風機（型號：113FZY2-S）。

設計完成后，采用熱分析軟件對機箱散熱性能進行驗證與優化。從空氣流線圖（圖4）可以看出穿過末級放大組件和初級放大組件器件的空氣較少，導致末級放大組件表面溫度偏高，達到62℃，超過60℃的臨界設計值。通過在底板增開五組70×10mm的通風槽后（見圖3）對機箱散熱性能進行重新分析，末級放大組件周圍空氣流量有了一定的增加，表面溫度也降低了約5℃左右（見圖5），滿足設計要求。

圖3??通風槽

設計改進后的功放機箱通過了高低溫、濕熱、振動、沖擊等系列例行實驗，實驗情況良好。在后期使用過程中也沒有因設計缺陷而出現故障。

圖4??熱分析圖（改進前）

圖5??熱分析圖（改進后）

2.結束語

功放機箱的設計涉及到機械學、電學、系統工程學、環境科學等多種基礎學科的綜合應用，必須從系統工程的角度，借助好的設計方法和設計手段，根據各種電子設備的不同要求，分清主次，在滿足技術指標的前提下，使設計盡可能地合理，從而設計出好的產品來。

參考文獻：

[1]邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京：東南大學出版社，2001.

[2]黃錚.機箱面板設計思路淺說[J].無線電工程，2000（1）.

[3]郭欣茹，張亞峰.電子設備機箱的強風冷設計[J].無線電通信技術，2004（3）.

作者簡介：

張義軍（1981-），男，博士，工程師，現主要從事電子設備結構設計等工作。

潘永強（1978-），男，高級工程師，現主要從事電子設備結構設計等工作。