发射装置电路盒散热技术及其应用

王 团

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳，471009）

1 引言

导弹发射装置是连接飞机航电武器系统和空空导弹的桥梁和纽带，起着承上启下的作用。而发射装置中的电路盒，介于飞机航电系统与导弹之间，与航电系统配合，通过信息交联完成对导弹的识别、供电、准备和发射。因此电路盒能否正常工作是直接决定导弹能否顺利发射的关键。

本文对发射装置电路盒的电气设计、结构特点进行分析，并总结其散热特点。

2 散热性对电路盒性能的影响

高温对大多数电子元器件产生严重的影响，它会导致电子元器件的失效，进而引起整个设备的失效。导弹发射装置电路盒的主要失效形式就是电子元器件热失效。据统计，电子产品的失效有55%是温度超过规定值引起的。功率器件热设计是电路盒结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证电路盒运行稳定可靠的基础。

3 电路盒的热设计

在电路盒的内部，功率的损失一般都以热能的形式散发出来。散热设计的主要依据是热力学第二定律：只要有温度差存在，热量总是自发地从高温物体传向低温物体。热学设计应包含以下三个内容：（1）通过版图和结构设计，使元器件在工作状态下产生的热能量均匀散布在整个有源区内，尽量消除可能形成的热斑。大功率器件可采用计算机辅助分析技术确定温度的二维或者三维分布，通过计算机辅助设计技术设计多胞并联图案、非均匀镇流电阻、输入端起功率均分作用的匹配网络等。（2）尽量降低器件的热阻和峰值结温，提高器件的工作寿命。（3）器件内部结构材料的热匹配设计。

3.1 热设计的计算

电路盒中的热量主要由电源变压器、集成电路（大功率器件）等产生。设计之初，首先计算电路盒中将会产生热量的大小，同时借鉴以往型号的经验对电路盒进行散热部分在内的结构设计，并利用试制样机进行温度验证。如果不符合设计要求，可采取增加散热面积、提高散热路径的热传导系数，或改变元器件布局设计等措施。

以某型导弹为例，该导弹工作时所需电压为±27±1.5V，而载机提供的电源为400Hz 115V。导弹工作时所需电压通过发射装置中的电路盒进行降压转换。设计采用线性电源，即将机上400Hz电源经降压、整流、滤波、稳压，转换为直流电源供导弹使用，降压原理如图1所示。

图1 电路盒降压示意图

变压器功率为50W，该降压过程是电路盒中热量的主要来源之一。整个电压转换电路中主要发热器件有4T1变压器、4NJ1、4NJ2三端可调稳压器，其次是印制板电路中使用的大功率电容和二极管等。

针对电路盒中热量产生可以通过电路热分析仿真模拟来实现。现在工程上一般使用FLOTHERM专业电子热分析软件。该软件使用时首先通过建立几何模型、然后设定电子设备的几何参数、发热元件的发热功耗、电子设备的材料物性参数（热传导率、密度和比热容等）、工作环境参数（压力、温度）、最后划分网格，经过后置处理得出热源程度及分布区域。

3.2 热设计的实现方式

电气设备的散热方法有自然冷却法、强迫空气冷却法以及直接液体冷却法等。电路盒的外形设计主要根据发射装置壳体内腔提供的可用空间确定其外形尺寸，进行结构设计。因发射装置壳体内腔空间结构狭小，同时电路盒还要应对各种复杂气候环境的影响，因此对结构密封性及可靠性提出了严格的要求。

基于上述因素考虑，电路盒的散热方式只能采用自然散热。对于自然散热，传热有三种基本方式：热传导、热对流、热辐射。本文主要从以下三方面入手：

（1）新型集成电路的应用；

（2）电气结构布局；

（3）散热性能好的辅助材料。

3.2.1 新型集成电路的应用

电路盒具有体积小的特点，因此需要尽量减少印制板（简称PCB）的封装面积。随着电子技术的发展，导弹发控系统的电路已由原来的模拟电路逐步转变为数字电路。随着芯片制造工艺的不断发展，利用元器件集成等技术使得芯片性能得到了增强。新产品的最大功耗和以前基本相同，发热量也几乎没有变化，但随着PCB板面积的缩小，热密度却增大了很多。

3.2.2 电气结构布局

当采用自然冷却方法时，电路盒内的电子元器件布置具有重要意义。由于在外罩内存在垂直温度梯度问题，所以有几项基本规则是必须遵守的：

（1）应把对温度敏感的元器件放在底部，绝不可直接处于发热元器件之上；

（2）元器件的布置应按其允许的温度进行分级，温度比较高的应该放在温度比较低的元器件上；

（3）应该按计算的传热系数确定元器件的排列方向以获得最佳的自然对流，一般认为应把元器件最长的尺寸垂直放置；

（4）垂直安装的元器件在水平方向的排列应该交错布置；

（5）大的热源所处位置不应与其他元器件呈一条垂直线，并在水平方向上的距离应尽可能大；

（6）大的热源一般应尽可能靠近温度最低的表面，并与表面有传导接触。温度最低的表面一般是金属外壳的内表面、金属底座及金属支架；

（7）预先确定导体的横截面并尽量缩短特定区域内的热通路，防止热量流入不应进入的通路。

散热方式可以分为主动散热和被动散热两种。发射装置电路盒因其密封性要求及空间狭小的特点，采用的散热方式一般为被动式。在变压器顶部设计安装有散热片，在安装时散热片紧贴需要散热的部位，吸收热量并增大散热表面积以实现散热。散热片通常用整体加工出平行肋片式形状，所选材料主要为导热性能良好的铜、铝和钢等。某型散热片采用的结构如图2所示。该散热片用锯齿刀加工出深约10mm的平行槽，增大了有效散热面积，加快了变压器热量的散失。

图2 某型电路盒散热片结构示意图

印制板组装件之间的间距，一般应控制在19mm～21mm之间。图3所示为某型电路盒印制板装配示意图。该型电路盒从下到上依次安装四块继电器印制板，通过散热性能好的铜材立柱固定，良好的间距使得继电器印制板产生的热量能够有效地辐射出去。

图3 某型电路盒的内部结构示意图

对于所有传导热量的接触面（如底板、前后端盖、外罩等）应该平整光滑，有较低的表面粗糙度，采用导热系数高的金属材料。考虑到材料重量因素，首先推荐选用材质轻的铝合金板材；并增加需要散热元件和模块的导热接触面积。

3.2.3 辅助材料

选用导热性能良好的辅助材料能够有助于热量的散失，有效提高散热性。对高低不平的导热面可以采用导热绝缘海绵橡胶板作为传热层；在功率器件、散热器和绝缘片之间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。采用聚四氟乙烯及云母之类柔软和可弯曲的材料可以部分补偿表面质量缺陷，在电路盒装配接触面涂抹硅有机树脂合成物可大大减少接触热阻。另外电路盒装配时，因接触热阻随零件表面平滑度和旋紧螺钉所施加的力矩的不同而有差异，因此各连接部件在安装固定时应按规定的力矩或接触压力固定，使其能够在接触面提供有效热阻。

4 结论

本文总结了电路盒的散热特点，同时通过正确恰当的热分析仿真能够在设计初期及时发现电路盒中热源的产生部位及大小，在结构布局时采取有效的应对措施。通过散热技术在发射装置电路盒设计装配过程中的应用，提高了电路盒工作的可靠性，使得产品性能能够得到更好的发挥。

[1] 龚庆祥.型号可靠性工程手册[M]. 北京：国防工业出版社，2007.

[2]（英）布朗.开关电源设计指南[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3] 刘选忠.实用电源技术手册[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.