某宇航電源模塊的可維修性設計及熱設計

吳晟 袁承宗 張開創 王愛國 潘自民

摘要：文中介紹了一種宇航電源模塊的設計過程，熱設計和設計優化手段，同時提出了考慮可維修性的可分離式設計理念。對于新研制的產品具有重要的參考價值。基于建立的仿真模型，仿真分析了器件在穩態條件下的器件溫升。仿真結果表明器件滿足I級降額要求，設計合理可靠。

關鍵詞：結構設計;熱設計;電源;可維修性

中圖分類號：TN605 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0132-01

0 引言

宇航電源模塊一般通過長螺桿和電子單機的其余模塊形成一個整體[1]，由于使用環境的特殊性，一般情況下不可維修，具有極高的可靠性要求。空間真空環境下缺少對流散熱[2]，內部器件的散熱手段主要依靠熱傳導。

電子設備在研制過程中，不可避免地會遇到返修的需求[3]，通常考慮到散熱和電磁屏蔽的電源模塊，返修某個部件時必須解焊導線，才能分離出需要的部件。而工藝規范對于解焊導線這一操作是有明確的次數限制的[4]，超過規定的次數直接會導致產品報廢。

如果一個電源模塊的結構設計在滿足常規熱學、力學要求的前提下，如果能做到在不解焊導線的情況下，分離印制板組件和殼體零件，對于一個處在研制階段，很可能進行返修的產品而言，有著非常重要的意義。

1 內部器件組成及布局設計

以某電源模塊為例，如圖1所示，該模塊使用2個矩形電連接器作為對外接插件。熱耗較大的器件為6個DC/DC模塊，金屬殼體，矩形帶法蘭的封裝。這種封裝直接通過底面進行散熱。考慮到整機結構形式以及引線的走線空間，模塊底面的空間僅允許放置3個DC/DC模塊，所以剩余3個DC/DC模塊則需要放在直接和模塊散熱底面相連的側壁上，傳熱路徑略微增加。

另外幾個發熱器件，均為帶法蘭的金屬殼體封裝，散熱面為底面。這種結構形式由于底面有引腳的存在，不能安裝在殼體最外側的表面，需要安裝在內部散熱冷板上，將熱量傳導至外殼，最終從把熱量傳遞到散熱底面。考慮到可維修性，則要求器件與殼體可拆。而冷板和殼體可分離的設計會引入一個額外的接觸熱阻，帶來額外的器件溫升，如何減小這個環節的接觸熱阻就成了設計的重點。

2 可維修性設計優化

通常，限制住印制板組件和殼體零件拆分的結構，主要有兩種情況：對外電連接器和底面貼合冷板散熱同時和印制板相連的器件。結構形式的限制造成印制板無法和殼體分離。

2.1 可拆卸設計方案

為了實現印制板的完全可拆卸，就要保證印制板上的所有器件與框架可拆卸。實現方法有兩種：（1）框架上直接開孔，接插件板后安裝，直接露出印制板上的電連接器。這種方法常常會對對電磁屏蔽及多余物控制造成影響。（2）設計一個可拆卸的轉接板，器件安裝在轉接板上。這樣的設計會造成一定的搭接電阻和熱阻，對于電連續性和導熱性能有一定的損失，但換來了可拆卸的優點，對于導熱和電磁屏蔽要求不高的部位比較適合。對于導熱要求高的部位，比如內部發熱器件的散熱，則需要進一步設計，從而降低整個散熱過程的熱阻。

2.2 熱分析

在這個案例中，通過傳熱過程熱阻[5]分析來進行熱設計。一體化設計的冷板與分體設計的冷板，傳熱過程熱阻對比分析如圖2所示。

與一體化設計相比，由于導熱路徑近似，則R3+R5與R1基本相同，接觸熱阻R2與R6相等，而分體設計的熱阻增加了一個接觸熱阻R4故需要通過設計來盡可能減小多出的R4，降低接觸熱阻所造成的影響。

2.3 熱設計優化

由于模塊的厚度足夠，可以通過空間的合理分層，在不影響印制板可用面積的條件下，增加一塊區域作為冷板進行熱傳導的接觸面，從而減小冷板和殼體間的接觸熱阻。

由于mos管器件本身體積較小，散熱的接觸面較小，故熱流密度較大，僅僅依靠底面散熱的話溫升較大。因此需要設計一個散熱壓塊，利用器件頂面進行散熱。壓塊壓緊器件耳片的同時，不能保證頂面同時良好接觸，需采用導熱填隙材料填充壓塊和器件頂面之間的間隙，如圖3所示。

3 仿真分析

進行優化設計后的模塊，環境溫度55℃條件下，器件最高結溫為75.5℃，該模塊的設計滿足I級降額的要求。

4 結語

當源頭的電路設計無法繼續優化降低熱耗時，就要依靠結構設計手段來進行熱設計優化了。分析每個環節的溫升，找出關鍵環節并盡量優化設計，最終降低器件的殼溫。設計散熱結構時需注意是否有可拆卸的需求，如調試需要、轉接板安裝需要等，在設計的過程中一并考慮，統籌兼顧。

參考文獻

[1] 關振昆，徐瑞芬.一種空間電源模塊結構設計研究[J].電源技術，2018，42（04）：578-582.

[2] 閔桂榮.衛星熱控制技術[M].北京：中國宇航出版社，1991.

[3] 岳德周，張記偉，韓超.電子設備工藝缺陷與可靠性、維修性分析[J].無線互聯科技，2018，15（12）：69-70.

[4] 中國航天科技集團公司二〇〇廠，中國航天標準化研究所起草.QJ2940A-2001，航天用印制電路板組裝件修復和改裝技術要求[S].北京：中國航天標準化研究所，2002.

[5] 楊世銘，陶文銓.傳熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

Maintainability Design and Thermal Design of? a Space Power Adapter Module

WU Sheng，YUAN Cheng-zong，ZHANG Kai-chuang，WANG Ai-guo，PAN Zi-min

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai? 201109）

Abstract：The design for a space power adapter module is introduced in this paper， including structure design procedures， thermal design and optimization methods. The concept of separable designing is also implemented， which results in higher maintainability， and is of great significance in guiding new projects in the future. Based on the simulation model， the temperature of working electric units is analyzed in the steady situation. The results show that all the electric units meet the demands of the derating rules level I， which means this design work is reasonable and reliable.

Key words：structural design; thermal design; power adapter; maintainability