摘要: 本文针对一种电源设备大功耗器件相对比较多且集中的特点，基于Flotherm 热仿真软件对该设备进行分析，充分考虑了设备工作时的边界条件，得出了大功耗器件温度值。结果表明，其散热措施行之有效，为整机结构的合理设计提供了依据，也为同类电子设备的结构设计提供了一种思路。

1 概述

航天器电子设备要求体积小、重量轻，这就使得电子元器件组装密集度高，而大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力( 如电、热或机械应力) 。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力( 降额) 会使热应力相应的降低，从而提高电子元器件的可靠性。对于航天器单机电子设备，不能够使用自然对流形式进行冷却，这是在轨失重状态所致。因此宇航电子设备只能依靠传导、辐射，或者强迫对流的冷却方式［1］。

电子设备的可靠性在很大程度上取决于设备结构设计的合理性和所采取散热措施的有效性。本文介绍了一种航天器电源设备的热设计，与其他的电子设备相比，该设备功耗大。由于高温会对电子元器件的性能产生有害的影响，为避免温度过高形成机械应力损伤、降低电子元器件寿命，必须进行合理的热设计，给大功耗电子元器件建立有效的散热路径。

由于设备结构设计以及元器件的布置安装形式必须能够满足元器件Ⅰ级降额的要求，热仿真分析的目的是验证设备工作时元器件是否满足Ⅰ级降额的要求。

2 输入条件

电源整机设备由5 个相同且又独立的模块组件构成，安装于一个封闭的金属盒体内。单个模块组件装有一块PCB 板。PCB 板厚度为2mm，材料为FR4，覆铜层为4 层厚度35μm ( 从上往下依次是:信号层、地层、电源层、信号层) ，各层覆铜层占PCB 的百分比分别为: 信号层40%，地层/电源层: 80%。

为同时满足电子设备轻量化、强度和刚度的要求，电源设备机箱壳体采用2A12 铝合金材质，通过整体铝块铣削加工而成。为了考虑辐射散热，整机外表面均进行黑色阳极化处理，表面发射系数大于0． 85。安装接触面积为22767mm2，是主要的热传导散热途径。

电源设备的工作模式是同时有3 个模块组件工作，热功耗接近27． 3W。单个模块组件功耗分布见表1。

3 电源设备结构

整机结构件选用2A12 硬铝合金，这种材料强度高、比热熔大、传热好，易于加工、重量轻、不易变形，在航天产品中为通用首选材料。结构布局如图1 所示，模装图如图2 所示。

电源设备的5 个模块组件分别安装在5 个小壳体内。电源按5 个相同的电源模块设计，所以结构分为5 个相互屏蔽盒体和一个安装结构体，这样符合EMC 要求。材料均选用2A12 硬铝及整体掏铣工艺。电源盒壁厚为1． 5mm，盒体底部厚度为2mm，结构体侧壁厚2mm，以加强结构的强度。器件A、半导体器件A 和B，安装在盒体底板上，散热面与金属结构件通过导热垫直接接触，形成良好的散热途径。器件布置图如图3 所示。

电源安装结构体下端设计四个安装凸耳，凸耳采用具有加强筋的结构方式，安装连接件采用M5螺栓进行连接，安装面位于结构体底部。为保证散热途径的有效性，结构体底部安装面的平面度要求为0． 2 /100 × 100mm2，表面粗糙度要求为1．6μm。同时，为满足电磁兼容性( EMC) 要求，结构设计中的搭接面保证充分接触，有效抑制电磁辐射的泄漏。

由于该电源设备功耗较大，因此对于大功耗电子元器件建立合理的散热路径非常重要。具体实施措施是在大功耗器件所处的相应位置设计安装凸台，通过接触传热的方式建立良好的散热路径。

4 热仿真分析及结果

仿真计算的边界条件为空间微重力真空环境恒定温度60℃，设备表面发黑处理( 表面发射系数取0． 85) ，环境的热辐射背景温度也取为60℃，电源处于真空环境，由此确定求解条件考虑传导和辐射换热。