新型機載顯示器模塊化設計研究

封振，王磊，官權

（蘇州長風航空電子有限公司，江蘇蘇州215151）

0 引 言

近代以來，飛機的各項性能在穩步提升，對機載設備的要求也越來越嚴格。而機載顯示器作為飛行員與外界交流的“眼睛”，對于保障飛機的安全性至關重要。傳統的顯示器結構，集成化水平不高，拆裝與維修都不方便，并且對于大功率器件的散熱效果不理想，難以滿足現代飛機對于機載電子設備的要求，因此需要提高設備的通用化與模塊化程度。

文中在傳統顯示器結構的基礎上提出了一種后蓋板集成化設計方法，此方法采用背板式結構，減薄了顯示器的整體厚度，減輕了設備的質量，并且具有良好的散熱性與可維修性。

1 機載設備要求

機載顯示器作為飛機系統的重要組成部分，不僅需要適應復雜的工作環境，而且還要能夠實現通用化與系列化要求。隨著科學技術的不斷進步，機載設備中的高新技術含量不斷增加，設備的種類越來越多，設備之間的相互影響也越來越嚴重，因此必須處理好設備結構設計中的電磁兼容、模塊化、散熱、三防等問題。

首先，由于機載顯示器內部空間有限，為了實現各種復雜的功能，在設計時通常大規模采用集成電路及高密微波集成設計，這種設計方法會產生復雜的電磁干擾信號，如果設備的電磁兼容達不到要求，很容易影響飛機的整個航電系統。其次，現代機載設備要在-40 ℃～+70 ℃環境下正常工作，考慮到大規模的集成電路和高功耗、高密度封裝的芯片會導致設備內部溫度升高，因此良好的散熱效果是保證設備正常工作的必要條件[1]。對于設備散熱來說，模塊化集成設計更容易將高功耗芯片的熱量導出到設備外部，從而降低設備的內部溫度。最后，在制造工藝方面，針對規定的氣候環境、機械環境、三防環境等各項環境要求，選用合適的材料并通過采取適當的加工工藝，使設備適應濕熱、霉菌、鹽霧等環境條件。

2 整機結構改進設計

多功能、輕量化、小型化是現代機載顯示器的發展方向。功能的增加必然引起設備的功耗增加、內部芯片產生的熱量增加；質量輕、體積小則直接導致設備內部空間減小，電磁兼容與內部散熱變得復雜，這些問題都將直接影響到結構設計。為了更好地滿足機載顯示器的發展要求，文中在原有設計的基礎上提出了一種模塊化背板設計。

2.1 結構設計對比

早期機載顯示器外形尺寸較大，多采用豎直插板式，內部板子數量較多，導致顯示器尾部比較笨重，增加了顯示器的厚度 與 質量，并且不利于內部芯片散熱。典型機載顯示器結構如圖1所示。

圖1 典型結構分解圖

這種結 構 簡單，內部空間充分，PCB板可使用面積較大，但其質量大、占用空間多、集成化程度不高，很難滿足現代化要求。因此采用集成化背板結構既能節省空間、減輕質量，又能方便拆卸、散熱。

考慮到后蓋板集成化設計縮小了設備內部空間，使得內部PCB的可使用面積減小，因此需要根據內部空間大小對PCB進行合理布局。對于內部PCB個數較多的設備來說，首先對空間進行區域劃分，并對PCB 上元器件的高度進行限制，在滿足性能要求的前提下，優先選擇尺寸較小的模塊；接著對多個PCB進行分層布置，避免超高器件之間相互干擾，各PCB之間通過對插或柔性連接板的形式進行對接。具體布局如圖2所示。

圖2 內部PCB分層布局圖

由圖2可知，內部PCB分為上下4層裝配，并且尺寸較高的模塊與上下兩層板子錯開布局，并且板子之間通過矩形連接器實現對插。

改進后的設備結構如圖3、圖4所示，由圖可知，改進后的顯示器集成化程度較高，并且集成后的顯示器結構緊湊，厚度遠小于原來的顯示器厚度，其結構件的數量也較少，使得顯示器的拆裝較為簡單。這種設計方法通用化程度較高，目前已經推廣到多種型號飛機中。

圖3 改進結構分解圖

圖4 后蓋板集成設計

2.2 可靠性分析

對于機載顯示器來說，無論是處于工作狀態，還是在貯存、運輸過程中，都將受到外部環境的影響。其中溫度的變化往往引起設備老化、氧化及結構變形；機械應力則容易引起設備疲勞與斷裂，而濕熱、鹽霧、霉菌則容易引起金屬件的腐蝕和電子設備的失靈。改進后的結構針對設備的可靠性要求，做了防護處理。對于需要散熱的高功耗器件，通過與后蓋板直接接觸，將熱量導出，如圖5所示。

對于電磁兼容性能，除了在元器件選型時選用帶有金屬屏蔽外殼的電子器件外，在后蓋板與液晶顯示模塊的結構件搭接處設計出90°轉角搭接面，并加裝導電橡膠，使得外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，在殼體結構上形成電磁封閉，以保證電磁的連續性。結構形式如圖6所示。

圖5 后蓋板散熱

2.3 仿真結果對比

后蓋板模塊化設計的主要目的是為了減輕設備質量，減小設備體積，滿足高功耗散熱需求。文中運用熱仿真軟件FloTHERM[2-3]，對 于傳統顯示器與模塊化設計顯示器分別進行了熱仿真計算[4-6]。計算時的外部條件與顯示器功耗保持一致，環境溫度為70℃，計算結果如圖7～圖8所示。

圖6 結構件連接方式

圖7 傳統顯示器溫度分布

圖8 模塊化顯示器溫度分布

由圖可知，相同工況下，傳統顯示器內部最高溫度為131℃，模塊化設計顯示器內部最高溫度為101 ℃，兩者最高溫度相差30 ℃，而一般芯片的最高工作溫度在125 ℃，此時傳統的顯示器散熱方式已不能滿足要求。對于模塊化設計的顯示器來說，高功耗芯片產生的熱量通過與后蓋板直接接觸導出到外部環境中，降低了設備內部溫度，保證了設備工作的安全性與可靠性。

3 結 論

文中通過后蓋板集成化設計，有效地改善了傳統機載顯示器外形尺寸大、插板數量多、尾部笨重、不利于散熱等缺點，提高了顯示器的空間利用率與可維修性，使得設備更加輕薄，很好地滿足了現代化飛機對機載顯示器的要求，為機載顯示器的優化設計提供了經驗基礎。