目前，我國已經(jīng)進入空間站工程實施階段�？臻g站將開展我國迄今為止最大規(guī)模的空間利用活動，涉及到領(lǐng)域廣泛的空間科學(xué)、相關(guān)應(yīng)用和技術(shù)領(lǐng)域，接下來小編簡單介紹優(yōu)秀電子設(shè)備論文。

　　摘要：目的針對以往載人航天應(yīng)用系統(tǒng)中電子設(shè)備熱設(shè)計的仿真分析方法不準(zhǔn)確的問題，提出一種基于熱平衡試驗測量發(fā)熱元器件溫度數(shù)據(jù)驗證熱仿真分析結(jié)果的電子設(shè)備熱設(shè)計方法。方法通過對應(yīng)用系統(tǒng)電子設(shè)備在軌實際熱工況條件的深入分析，結(jié)合電子設(shè)備的物理特性、電氣特性及其技術(shù)特點，利用計算機應(yīng)用技術(shù)和數(shù)字仿真技術(shù)建立電子設(shè)備熱模型，并進行熱仿真分析，再將仿真計算得到的發(fā)熱元器件殼溫與實際熱平衡試驗測量得到的元器件真實殼溫比對，檢驗熱仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果某電子設(shè)備在真空度為1.0×10-4Pa，溫度為45℃條件下開展熱平衡試驗，實測得到的發(fā)熱元器件溫度值與熱仿真分析溫度值之差小于1℃。熱平衡試驗過程中，切換電子設(shè)備的不同工作模式時，通過器件的工作電流和電壓計算出其熱負荷指標(biāo)與仿真得到的熱耗值之差低于0.1W。結(jié)論基于熱平衡試驗的發(fā)熱元器件實測溫度數(shù)據(jù)，驗證了熱仿真分析結(jié)果的電子設(shè)備熱設(shè)計方法科學(xué)有效，有助于后續(xù)空間站應(yīng)用系統(tǒng)電子設(shè)備熱設(shè)計工作。

　　關(guān)鍵詞：空間站應(yīng)用系統(tǒng);電子設(shè)備;熱設(shè)計;仿真分析;熱平衡試驗

　　包括空間生命科學(xué)和生物技術(shù)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間天文、空間物理與空間環(huán)境、空間地球科學(xué)及應(yīng)用，以及航天醫(yī)學(xué)、航天器和空間應(yīng)用新技術(shù)試驗等重要方向，在建成后的10年將持續(xù)開展多達數(shù)百項空間科學(xué)、應(yīng)用和技術(shù)研究。為了完成學(xué)科領(lǐng)域廣泛、技術(shù)要求復(fù)雜、實驗變化多樣的應(yīng)用任務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃了包括多功能主動光學(xué)設(shè)施在內(nèi)的重大研究設(shè)施，采用實驗柜形式的科學(xué)和技術(shù)實驗平臺，以及研制一批重要的獨立實驗載荷。分別安排在空間站的三個艙段，部分在密封艙內(nèi)，部分在艙外真空環(huán)境下。為支持所有研究設(shè)施、科學(xué)與技術(shù)實驗平臺和獨立載荷高效地完成各項實驗任務(wù)，應(yīng)用系統(tǒng)將研制在軌信息系統(tǒng)，聯(lián)接所有實驗設(shè)備，統(tǒng)一向?qū)嶒炘O(shè)備提供管理控制、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘1]。應(yīng)用系統(tǒng)在軌信息系統(tǒng)的硬件組成主要是電子設(shè)備，在空間站的各類應(yīng)用載荷中，電子設(shè)備也占據(jù)了很大比重。電子設(shè)備已經(jīng)是空間站應(yīng)用系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的極其重要的硬件基礎(chǔ)。為了改善空間站應(yīng)用電子設(shè)備的性能，進一步提高其長壽命、高可靠要求，需要將熱仿真技術(shù)應(yīng)用于其熱設(shè)計過程中。借助熱仿真技術(shù)可以模擬空間站應(yīng)用電子設(shè)備在特殊工作環(huán)境中的邊界條件，縮短高性能、高可靠要求電子設(shè)備的研制周期，借助熱仿真也可以降低其熱設(shè)計和熱試驗的成本與風(fēng)險[2]。

　　1電子設(shè)備熱技術(shù)狀態(tài)

　　文中以在航天工程型號中搭載過且具有實際在軌飛行試驗經(jīng)歷，將來需要安裝在空間站實驗艙內(nèi)真空環(huán)境下工作的電子設(shè)備為研究對象。其由飛行器平臺負責(zé)提供散熱通道，產(chǎn)品內(nèi)部的熱控設(shè)計工作是為了確保箱體內(nèi)部電子器件產(chǎn)熱傳遞到箱體壁面，并通過平臺提供的散熱通道傳遞給飛行器平臺系統(tǒng)。電子設(shè)備屬于常加電載荷，入軌后即進入正常工作模式，其功耗最大為50W，最小為40W，平均45W。該電子設(shè)備為箱體結(jié)構(gòu)見圖1，安裝于實驗艙后錐段鋁蜂窩板上。機箱本體尺寸為400mm×350mm×300mm，機箱面板厚度為6mm，通過底面固定在飛行器實驗艙后錐段內(nèi)。電子設(shè)備內(nèi)部由6組PCB組件組成，各PCB設(shè)置有板框，板框通過鎖緊機構(gòu)與箱體前后側(cè)板連接。1.1熱源分布統(tǒng)計需要散熱的元器件的結(jié)殼熱阻、數(shù)量、熱功耗以及結(jié)溫I級降額指標(biāo)等基本情況，見表2。計算分析電子設(shè)備熱流密度較大的電子元器件分布及其熱耗值，如圖2所示。1.2產(chǎn)品材料熱屬性電子設(shè)備箱體材料為鎂合金MB15。除安裝接觸面外，其他外表面噴涂發(fā)射率為0.85的ERB-2黑漆。1.3產(chǎn)品溫控指標(biāo)電子設(shè)備的啟動溫度為-10～+45℃，最佳工作溫度范圍為+20～+30℃，工作溫度范圍為-10～+45℃，軌道存儲溫度范圍為-20～+60℃。

　　2熱設(shè)計

　　2.1大功率電子元器件按照工程型號系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計和建造規(guī)范要求，熱耗大于0.3W的元器件需進行專門熱設(shè)計。大功率電源模塊涂D-3導(dǎo)熱脂固定在PCB支架上，PCB支撐框與左側(cè)板間涂D-3導(dǎo)熱脂固定。PCB上熱流密度較大，且安裝面積較大的元器件，采用1.0mmT2銅導(dǎo)熱片導(dǎo)出。銅導(dǎo)熱片與電子元器件的對接面墊單面帶膠，無膠面涂覆D-3導(dǎo)熱脂，銅導(dǎo)熱片與電路板框的對接面涂覆D-3導(dǎo)熱脂。為保證力學(xué)性能可靠，電子元器件四周留有固定銅導(dǎo)熱條的螺釘孔。對于安裝面積較小且不宜用T2銅導(dǎo)熱片的元器件,采用熱良好、具有擴熱效應(yīng)的0.3mm銀導(dǎo)熱片。2.2機箱熱設(shè)計電子設(shè)備箱體結(jié)構(gòu)采用組合面板模式，各板間的接觸充分利用板厚，且采取了止口搭接的形式，以增大接觸面積，減小接觸熱阻。板框以鎖緊方式固定在前后側(cè)板上，鎖緊方式為楔形機構(gòu)。箱體非安裝外表面噴涂ERB-2黑漆，以加強機箱輻射散熱。鑒于電子設(shè)備安裝板為鋁蜂窩板，散熱較差、機箱熱功耗較大，且由于A機和B機為冷備關(guān)系，故用兩根熱管將A機和B機兩個機箱連接起來，以增加散熱面積和熱容，再加一根熱管將熱量導(dǎo)到熱容較大的冷板上。其中連接到冷板的熱管安裝在A機后側(cè)板上。為減小接觸熱阻，熱管安裝面填充導(dǎo)熱脂[3—4]。

　　3熱仿真分析

　　根據(jù)電子設(shè)備箱體與PCB的結(jié)構(gòu)、材料、幾何尺寸、安裝組合方式、以及元器件安裝布局方式，使用代表當(dāng)今世界機械領(lǐng)域主流的新標(biāo)準(zhǔn)三維造型設(shè)計軟件Pro/Engineer完成電子設(shè)備的器件、PCB組件以及機箱級產(chǎn)品的三維實體模型的建立工作。運用NASA等航天工程領(lǐng)域?qū)Ｓ玫臒岱抡娣治鲕浖�Sinda/Fluint的ThermalDeskTop模塊建立電子設(shè)備輻射熱分析模型。為考核電子設(shè)備在實際應(yīng)用的空間環(huán)境溫度下，其內(nèi)部電子元器件溫度能否滿足元器件結(jié)溫I級降額指標(biāo)要求，需要對其進行熱仿真分析[5—7]。3.1建立熱模型運用Sinda/Fluint的ThermalDeskTop模塊建成的電子設(shè)備熱模型如圖3所示。電子設(shè)備熱模型物性參數(shù)見表1。安裝面溫度作為熱分析邊界溫度，箱體各面板安裝接觸換熱系數(shù)按150W/(m2•℃)計算，涂D-3導(dǎo)熱脂界面的安裝接觸換熱系數(shù)為1000W/(m2•℃)。3.2設(shè)置熱邊界條件及模擬熱工況由于電子設(shè)備所使用的元器件在溫度較高的條件下其可靠性會降低，而低溫條件下元器件是發(fā)熱的，元器件溫度不會太高，因此對其進行高溫工況模擬并進行熱分析。模擬電子設(shè)備熱工況時設(shè)置的熱邊界條件：安裝面邊界溫度設(shè)定在45℃;艙段熱輻射背景邊界溫度設(shè)定在45℃;冷板溫度為10℃。3.3熱仿真分析及計算結(jié)果熱仿真分析得到電子設(shè)備各PCB溫度分布結(jié)果如圖4所示，各PCB上元器件的溫度見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在采取設(shè)置PCB框、銅/銀導(dǎo)熱條、涂覆D-3導(dǎo)熱脂、箱體表面噴涂黑漆等措施后，所有元器件的工作溫度均能夠滿足電子元器件I級降額設(shè)計指標(biāo)的要求。其中元器件結(jié)溫最高值為61.15℃，是位于PCB3上的MSK5101-00元器件，其余量為18.85℃。

　　4驗證熱仿真分析結(jié)果

　　為了驗證上述熱仿真分析及計算得到的電子設(shè)備發(fā)熱元器件的溫度是否真實反映了其空間熱工況條件下的熱特性，采用熱真空環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)和由Pt100溫度傳感器構(gòu)成的溫度測量系統(tǒng)，完成了電子設(shè)備在真空度為1.0×10-4Pa和溫度為45℃條件下的熱平衡試驗測試工作。實測試驗采集得到各PCB上發(fā)熱元器件的殼體溫度數(shù)據(jù)見表2。從表2可見，熱平衡試驗實測得到的發(fā)熱元器件溫度值與熱仿真分析得到的發(fā)熱元器件溫度值之差都在1℃范圍之內(nèi)。熱平衡試驗過程中，切換電子設(shè)備的不同工作模式時，通過器件的工作電流和電壓即功率來計算出其熱負荷指標(biāo)與表2中所列的仿真得到的熱耗值之差不超過0.1W[8—11]。若真空熱平衡試驗實測得到的電子設(shè)備發(fā)熱元器件溫度數(shù)據(jù)結(jié)果同熱仿真分析得到的溫度數(shù)據(jù)結(jié)果比對后的差值超過1℃，或者熱平衡試驗過程中計算出其熱負荷指標(biāo)與仿真得到熱耗值之差超過0.1W，則需要通過實測得到的元器件溫度和熱耗數(shù)據(jù)結(jié)果對電子設(shè)備熱模型進行修正、標(biāo)定，以提高熱模型的成熟度。另外，該電子設(shè)備在以往航天工程某型號中搭載過并順利完成了相關(guān)的飛行試驗及留軌試驗任務(wù)，發(fā)熱元器件均安裝了熱敏電阻傳感器用以監(jiān)測其在空間真實應(yīng)用熱環(huán)境中的殼體溫度。根據(jù)飛行試驗溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，也驗證了發(fā)熱元器件結(jié)溫是能滿足元器件I級降額設(shè)計指標(biāo)的要求。根據(jù)以往航天工程型號的飛行驗證經(jīng)驗，對于未查到結(jié)殼熱阻的元器件亦能滿足元器件I級降額設(shè)計指標(biāo)的要求。

　　5結(jié)語

　　上述熱仿真分析得到的電子設(shè)備發(fā)熱元器件溫度和熱耗兩項熱技術(shù)指標(biāo)均與真空熱平衡試驗實際測試得到的結(jié)果基本一致，完全符合該空間工程型號系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計和建造規(guī)范的要求。因此，熱仿真分析得到的元器件溫度和熱耗數(shù)據(jù)結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，從而也表明電子設(shè)備的元器件、電路板、機箱三級產(chǎn)品熱設(shè)計合理，各元器件溫度均滿足I級降額設(shè)計要求，符合工程設(shè)計指標(biāo)要求。文中所運用的基于熱平衡試驗測量發(fā)熱元器件溫度數(shù)據(jù)驗證熱仿真分析結(jié)果的電子設(shè)備熱設(shè)計方法是科學(xué)、有效的，有助于開展空間站應(yīng)用系統(tǒng)電子設(shè)備熱設(shè)計工作�？梢蕴岣唛L壽命、高可靠要求電子設(shè)備熱設(shè)計的準(zhǔn)確性，對推動未來我國空間站電子設(shè)備研制工作的順利完成也具有一定的參考價值。

　　閱讀期刊：電子器件

　　《電子器件》(雙月刊)創(chuàng)刊于1978年，由東南大學(xué)主辦。本刊主要向國內(nèi)外介紹有關(guān)電子學(xué)科領(lǐng)域的新理論、新思想、新技術(shù)和具有國內(nèi)外先進水平的最新研究成果和技術(shù)進展。本刊發(fā)揚學(xué)術(shù)民主，堅持雙百方針，為促進國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流、促進電子科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。

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