某宇航电源模块的可维修性设计及热设计
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摘要：文中介绍了一种宇航电源模块的设计过程，热设计和设计优化手段，同时提出了考虑可维修性的可分离式设计理念。对于新研制的产品具有重要的参考价值。基于建立的仿真模型，仿真分析了器件在稳态条件下的器件温升。仿真结果表明器件满足I级降额要求，设计合理可靠。
关键词：结构设计;热设计;电源;可维修性
中图分类号：TN605 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0132-01
0 引言
宇航电源模块一般通过长螺杆和电子单机的其余模块形成一个整体[1]，由于使用环境的特殊性，一般情况下不可维修，具有极高的可靠性要求。空间真空环境下缺少对流散热[2]，内部器件的散热手段主要依靠热传导。
电子设备在研制过程中，不可避免地会遇到返修的需求[3]，通常考虑到散热和电磁屏蔽的电源模块，返修某个部件时必须解焊导线，才能分离出需要的部件。而工艺规范对于解焊导线这一操作是有明确的次数限制的[4]，超过规定的次数直接会导致产品报废。
如果一个电源模块的结构设计在满足常规热学、力学要求的前提下，如果能做到在不解焊导线的情况下，分离印制板组件和壳体零件，对于一个处在研制阶段，很可能进行返修的产品而言，有着非常重要的意义。
1 内部器件组成及布局设计
以某电源模块为例，如图1所示，该模块使用2个矩形电连接器作为对外接插件。热耗较大的器件为6个DC/DC模块，金属壳体，矩形带法兰的封装。这种封装直接通过底面进行散热。考虑到整机结构形式以及引线的走线空间，模块底面的空间仅允许放置3个DC/DC模块，所以剩余3个DC/DC模块则需要放在直接和模块散热底面相连的侧壁上，传热路径略微增加。
另外几个发热器件，均为带法兰的金属壳体封装，散热面为底面。这种结构形式由于底面有引脚的存在，不能安装在壳体最外侧的表面，需要安装在内部散热冷板上，将热量传导至外壳，最终从把热量传递到散热底面。考虑到可维修性，则要求器件与壳体可拆。而冷板和壳体可分离的设计会引入一个额外的接触热阻，带来额外的器件温升，如何减小这个环节的接触热阻就成了设计的重点。
2 可维修性设计优化
通常，限制住印制板组件和壳体零件拆分的结构，主要有两种情况：对外电连接器和底面贴合冷板散热同时和印制板相连的器件。结构形式的限制造成印制板无法和壳体分离。
2.1 可拆卸设计方案
为了实现印制板的完全可拆卸，就要保证印制板上的所有器件与框架可拆卸。实现方法有两种：（1）框架上直接开孔，接插件板后安装，直接露出印制板上的电连接器。这种方法常常会对对电磁屏蔽及多余物控制造成影响。（2）设计一个可拆卸的转接板，器件安装在转接板上。这样的设计会造成一定的搭接电阻和热阻，对于电连续性和导热性能有一定的损失，但换来了可拆卸的优点，对于导热和电磁屏蔽要求不高的部位比较适合。对于导热要求高的部位，比如内部发热器件的散热，则需要进一步设计，从而降低整个散热过程的热阻。
2.2 热分析
在这个案例中，通过传热过程热阻[5]分析来进行热设计。一体化设计的冷板与分体设计的冷板，传热过程热阻对比分析如图2所示。
与一体化设计相比，由于导热路径近似，则R3+R5与R1基本相同，接触热阻R2与R6相等，而分体设计的热阻增加了一个接触热阻R4故需要通过设计来尽可能减小多出的R4，降低接触热阻所造成的影响。
2.3 热设计优化
由于模块的厚度足够，可以通过空间的合理分层，在不影响印制板可用面积的条件下，增加一块区域作为冷板进行热传导的接触面，从而减小冷板和壳体间的接触热阻。
由于mos管器件本身体积较小，散热的接触面较小，故热流密度较大，仅仅依靠底面散热的话温升较大。因此需要设计一个散热压块，利用器件顶面进行散热。压块压紧器件耳片的同时，不能保证顶面同时良好接触，需采用导热填隙材料填充压块和器件顶面之间的间隙，如图3所示。
3 仿真分析
进行优化设计后的模块，环境温度55℃条件下，器件最高结温为75.5℃，该模块的设计满足I级降额的要求。
4 结语
当源头的电路设计无法继续优化降低热耗时，就要依靠结构设计手段来进行热设计优化了。分析每个环节的温升，找出关键环节并尽量优化设计，最终降低器件的壳温。设计散热结构时需注意是否有可拆卸的需求，如调试需要、转接板安装需要等，在设计的过程中一并考虑，统筹兼顾。
参考文献
[1] 关振昆，徐瑞芬.一种空间电源模块结构设计研究[J].电源技术，2018，42（04）：578-582.
[2] 闵桂荣.卫星热控制技术[M].北京：中国宇航出版社，1991.
[3] 岳德周，张记伟，韩超.电子设备工艺缺陷与可靠性、維修性分析[J].无线互联科技，2018，15（12）：69-70.
[4] 中国航天科技集团公司二〇〇厂，中国航天标准化研究所起草.QJ2940A-2001，航天用印制电路板组装件修复和改装技术要求[S].北京：中国航天标准化研究所，2002.
[5] 杨世铭，陶文铨.传热学（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
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