關(guān)奉偉，劉 巨

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

空間光學(xué)遙感器大功率控制電箱的熱設(shè)計(jì)

關(guān)奉偉*，劉 巨

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

根據(jù)空間應(yīng)用電子設(shè)備的熱控要求，對(duì)空間光學(xué)遙感器的控制電箱進(jìn)行了熱控設(shè)計(jì)。首先，總結(jié)了空間電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)原則。針對(duì)空間光學(xué)遙感器控制電箱介紹了相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)流程，對(duì)典型的大功率器件進(jìn)行了溫差推算，并說(shuō)明了電箱的各電路板和大功率元器件的熱設(shè)計(jì)方案。最后，通過(guò)熱分析和熱試驗(yàn)手段對(duì)熱控電箱的熱控方案進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：控制電箱的整機(jī)穩(wěn)態(tài)工況熱平衡溫度小于30℃，各元器件的最高殼溫在54.2℃以內(nèi)。結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

空間光學(xué)遙感器；控制電箱；熱設(shè)計(jì)

1 引 言

空間光學(xué)遙感器近年來(lái)取得了快速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于資源勘查、對(duì)地監(jiān)視以及國(guó)土測(cè)繪等領(lǐng)域。該類遙感器的整機(jī)設(shè)計(jì)涵蓋了應(yīng)用光學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路系統(tǒng)、熱以及力學(xué)環(huán)境保障等學(xué)科，其中控制電箱、焦面電箱等電子設(shè)備作為整機(jī)主要分系統(tǒng)之一，發(fā)揮了非常重要的作用。近些年隨著空間光學(xué)遙感器的快速發(fā)展，相應(yīng)配套電子設(shè)備的布局越發(fā)緊湊，封裝密度日益增高，設(shè)備及器件熱耗呈現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的遞增趨勢(shì)［1］，從而使得空間電子設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)變得異常緊迫和急切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前電子器件損壞的主要原因?yàn)闊釗p壞和工作溫度超限［2］。

20世紀(jì)50年代，伴隨著航天工業(yè)的起步及發(fā)展，空間電子設(shè)備得到了大量應(yīng)用，與之相應(yīng)的熱控制技術(shù)也得到了快速發(fā)展［3］。目前國(guó)外已經(jīng)取得了大量基礎(chǔ)性、應(yīng)用性的研究成果［4-11］，除此之外，國(guó)外對(duì)預(yù)研性、前瞻性的散熱技術(shù)研究也取得了諸多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，包括每平方厘米千瓦級(jí)的散熱技術(shù)早已立項(xiàng)研究，甚至每平方厘米萬(wàn)瓦級(jí)的散熱技術(shù)探索也已經(jīng)納入了遠(yuǎn)期目標(biāo)［12］。對(duì)比國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)電子設(shè)備的散熱研究相對(duì)較晚，并且發(fā)展之初也未引起行業(yè)內(nèi)足夠重視［13］，不過(guò)隨著近些年國(guó)內(nèi)電子工業(yè)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備散熱問(wèn)題的日益突出，業(yè)內(nèi)已經(jīng)普遍意識(shí)到了散熱技術(shù)發(fā)展的迫切性，目前對(duì)于整機(jī)級(jí)、電路板級(jí)以及器件級(jí)的散熱研究均取得了不少研究成果［14-21］，不過(guò)對(duì)于創(chuàng)新性的、探索性的散熱技術(shù)研究還很不足［12］，尤其是對(duì)于空間應(yīng)用的電子設(shè)備。空間電子設(shè)備的高集成度和高熱流密度需要進(jìn)行系統(tǒng)細(xì)致的熱控設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮各分系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)參數(shù)的制約和協(xié)同，在保證散熱設(shè)計(jì)有效性和合理性的同時(shí)，盡可能降低散熱措施的復(fù)雜性，提高整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

本文針對(duì)某空間光學(xué)遙感器的大功率控制電箱，依據(jù)熱設(shè)計(jì)流程和原則進(jìn)行了芯片級(jí)、板級(jí)熱設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析及熱平衡試驗(yàn)等手段，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。試驗(yàn)及仿真結(jié)果均表明，控制電箱的熱控設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求，散熱措施合理有效。

2 設(shè)計(jì)原則及流程

對(duì)于空間電子設(shè)備的研制，傳統(tǒng)上通常采用串行設(shè)計(jì)方法，各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員獨(dú)立進(jìn)行各自的設(shè)計(jì)工作。由于熱控分系統(tǒng)的任務(wù)特質(zhì)，熱控設(shè)計(jì)往往處于電子設(shè)備研制的末端環(huán)節(jié)，選取熱控措施面臨諸多制約，熱控設(shè)計(jì)面臨很大難度，對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊、高熱流密度的電子設(shè)備尤其明顯。對(duì)于空間應(yīng)用大功耗電子設(shè)備，熱控設(shè)計(jì)應(yīng)該是貫穿電子設(shè)備研制的始終，對(duì)材料選擇、器件布局、主體結(jié)構(gòu)等各環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合考量，做到在保證熱控設(shè)計(jì)有效性的同時(shí)，盡量降低熱控措施的復(fù)雜性。

依據(jù)電子學(xué)分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的原則，大功率控制電箱的設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下原則：

（1）在滿足使用需求的情況下，選擇功耗低、溫度穩(wěn)定性好和耐溫范圍寬的元器件；

（2）電子學(xué)器件的布局應(yīng)充分考慮熱流分布，盡量避免熱耗過(guò)于集中，降低熱設(shè)計(jì)難度；

（3）電路板件應(yīng)選取具有內(nèi)部導(dǎo)熱通路的板材，增強(qiáng)自身導(dǎo)熱性能；

（4）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在滿足強(qiáng)度、重量等要求的情況下，盡量選用導(dǎo)熱率高的基材；

（5）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所用材料應(yīng)易于進(jìn)行染黑等表面處理；

（6）結(jié)構(gòu)組件與電路板件的連接面要求光滑平整，并且在允許的情況下，擴(kuò)大接觸面積，盡可能利用設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱；

（7）熱功耗大的元器件盡可能靠近電路板框架或者機(jī)箱殼體，如有必要，可以直接將元器件安裝在箱體上，并且盡量使熱控措施與整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在保證散熱效果的同時(shí)，可以降低熱控系統(tǒng)的復(fù)雜性；

（8）使元器件的絕大部分熱量沿著散熱路徑傳到設(shè)備的底板或機(jī)箱殼體上；

（9）將與控制電箱連接的安裝板作為散熱的熱沉。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，得到空間光學(xué)遙感器控制電箱的熱設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

圖1 控制電箱熱設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Thermal design flow chart of electronic control cabinet

3 理論計(jì)算

3.1 大功率器件溫差計(jì)算

控制電箱的熱設(shè)計(jì)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注大功率器件及熱量“集中”區(qū)域，針對(duì)大功耗器件等應(yīng)首先進(jìn)行理論推算，確定有無(wú)采取熱控設(shè)計(jì)的必要，原則上盡可能通過(guò)調(diào)整電子學(xué)器件布局、利用機(jī)械結(jié)構(gòu)解決器件散熱問(wèn)題。如需采取針對(duì)性的熱控措施，也應(yīng)盡可能與機(jī)械結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)。下面以某空間光學(xué)遙感器控制電箱的CPU芯片為例，依據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行理論推導(dǎo)。CPU芯片為控制板上的主要發(fā)熱器件，將其安置于控制板上利于散熱的位置，具體布局示意圖如圖2所示。

圖2 CPU芯片布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of CPU chip layout

CPU芯片通過(guò)以下兩種方式進(jìn)行散熱：一是熱量傳導(dǎo)至控制板，再通過(guò)控制板傳至電路板框架、控制電箱箱體，最終傳至衛(wèi)星設(shè)備艙；二是直接向周邊環(huán)境輻射散熱。器件的導(dǎo)熱路徑及熱阻分析如圖3所示。

圖3 CPU芯片導(dǎo)熱路徑Fig.3 Heat conduction path of CPU chip

依據(jù)上述導(dǎo)熱路徑，對(duì)CPU進(jìn)行熱阻分析，圖3中各符號(hào)意義見(jiàn)表1。

表1 CPU導(dǎo)熱路徑符號(hào)含義Tab.1 Symbolmeanings of CPU heat conduction path

導(dǎo)熱路徑中接觸熱阻的計(jì)算公式為：

自身熱阻的計(jì)算公式為：

上述式（1）和（2）中各符號(hào)的意義見(jiàn)表2。

表2 熱阻計(jì)算公式符號(hào)含義Tab.2 Symbolmeanings of heat resistance formula

依據(jù)控制電箱各部件的實(shí)際結(jié)構(gòu)及接觸表面的實(shí)際情況，上述各參數(shù)的取值見(jiàn)表3。

表3 熱阻計(jì)算公式參數(shù)取值Tab.3 Parameter values of heat resistance formula

將上表各數(shù)值代入式（1）和（2）中，得出各熱阻值見(jiàn)表4。

表4 熱阻計(jì)算值Tab.4 Calculated values of heat resistance

3.2 熱控后的溫差計(jì)算

根據(jù)CPU器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在CPU頂部增設(shè)散熱片，從而為器件增加一條導(dǎo)熱路徑，此導(dǎo)熱路徑分析如圖4所示。

圖4 CPU頂部散熱路徑Fig.4 Heat transfer path of CPU top

從圖4中可知，CPU頂部增設(shè)了散熱片以后，熱量通過(guò)器件頂部銅導(dǎo)熱區(qū)域，導(dǎo)至散熱片（散熱片與CPU頂部之間填涂導(dǎo)熱硅膠），然后通過(guò)散熱片導(dǎo)至電路板框架，之后的導(dǎo)熱路徑與3.1節(jié)的分析相同。頂部散熱的熱阻分析與3.1節(jié)相似，下面直接列出計(jì)算結(jié)果，具體數(shù)值見(jiàn)表5。

表5 CPU頂部散熱熱阻計(jì)算值Tab.5 Calculated values of heat transfer heat resistance for CPU top

由上述推算可知，CPU器件在增加熱控措施前后的溫差很大，熱控設(shè)計(jì)的效果非常顯著，對(duì)于控制電箱其余大功率器件的理論推算同樣采用上述方法，然后依據(jù)各器件的降額使用要求以及熱沉溫度水平來(lái)確定控制電箱所有需要進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)的元器件。

4 設(shè)計(jì)方案

依據(jù)熱設(shè)計(jì)流程及原則對(duì)所有需要采取散熱措施的大功率器件進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)，下面對(duì)控制電箱的芯片級(jí)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

對(duì)于空間電子設(shè)備來(lái)講，傳導(dǎo)和輻射是設(shè)備散熱的主要方法。由于傳導(dǎo)及輻射導(dǎo)熱在效率方面差異顯著，在進(jìn)行控制電箱的熱設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)著眼于增強(qiáng)熱聚集區(qū)域的導(dǎo)熱能力，其次應(yīng)著重提高器件、組件的表面發(fā)射率，以增強(qiáng)輻射換熱并勻化內(nèi)部溫度。

根據(jù)控制電箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功耗分布，采用從器件底部或頂部增強(qiáng)導(dǎo)熱的方式往往效果較好，并且較易實(shí)現(xiàn)，所以大功率元器件首先考慮從底部或頂部導(dǎo)熱，如果難以實(shí)現(xiàn)的話，再考慮采用周向?qū)?。由于器件的底部散熱更易于與機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，所以器件的底部散熱設(shè)計(jì)應(yīng)作為首選的設(shè)計(jì)方案。

依據(jù)器件的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝方式可知，器件與電路板之間的熱阻通常較大，引腳式器件更為顯著。另外，電路板件自身導(dǎo)熱性普遍較差，所以對(duì)于大功率器件單純依靠PCB板的散熱通常難以滿足要求，多需要對(duì)各大功率器件增加額外的導(dǎo)熱路徑。本文依據(jù)控制電箱大功率器件的具體構(gòu)型及實(shí)際功耗，對(duì)各器件采取了針對(duì)性的熱控設(shè)計(jì)，例如對(duì)于與PCB板接觸面積較大的器件在底部增設(shè)了散熱片；對(duì)散熱片與電路板框架進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，從而去除了散熱片與框架間的接觸熱阻；器件與底部散熱片之間填涂導(dǎo)熱脂或者導(dǎo)熱硅橡膠，這樣器件的大部分熱量通過(guò)散熱片直接傳導(dǎo)至電路板框架，再由框架傳至控制電箱箱體，再將熱量散至熱沉。控制電箱某電阻器件底部散熱的設(shè)計(jì)方案如圖5所示，電阻器件的功耗大部分通過(guò)底部散熱片傳到電路板框架，然后通過(guò)框架傳導(dǎo)至箱體，再排散到熱沉。

圖5 某型電阻器件設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.5 Design schematic diagram ofa resistance component

對(duì)于熱量聚集在頂部或者不便在底部采取熱控措施的器件，采用在器件頂部增設(shè)散熱壓片，考慮器件的焊接以及更換等因素，頂部散熱壓片與電路板框架通常采用分體設(shè)計(jì)，為減小散熱壓片與框架間的接觸熱阻，在連接面處涂覆導(dǎo)熱脂或者導(dǎo)熱硅橡膠以增強(qiáng)連接面處導(dǎo)熱系數(shù)，熱量通過(guò)頂部散熱壓片導(dǎo)至電路板框架，再由框架導(dǎo)至箱體散至熱沉?？刂齐娤淠承酒骷敳可岬脑O(shè)計(jì)方案如圖6所示。

控制電箱的器件熱設(shè)計(jì)需要對(duì)各器件采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，并且需要滿足相應(yīng)的重量、器件布局等的要求。除此之外，電路板框架在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)允許的情況下，應(yīng)盡量選用高導(dǎo)熱性的材料（如鋁合金），并在框架與控制電箱箱體的接觸面涂覆導(dǎo)熱填料，以減小熱阻，電路板框架的外表面均做染黑處理，以提高發(fā)射率?？刂齐娤浒惭b于衛(wèi)星設(shè)備艙，箱體與設(shè)備艙的連接面之間填涂導(dǎo)熱脂，箱體表面做染黑處理，增強(qiáng)與衛(wèi)星設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境的換熱。

圖6 某型芯片器件設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.6 Design schematic diagram of a chip device

5 仿真分析

利用NX仿真平臺(tái)的空間系統(tǒng)熱模塊進(jìn)行熱分析。首先建立控制電箱的屏幕樣機(jī)，然后對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)及元器件、電路板件等進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，依據(jù)電箱的結(jié)構(gòu)及傳熱特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而建立整機(jī)有限元模型，如圖7所示，模型中定義的材料屬性見(jiàn)表6，接觸熱導(dǎo)率見(jiàn)表7，大功率元器件的熱耗見(jiàn)表8。

圖7 相機(jī)控制電箱有限元模型Fig.7 Finite elementmodel of electric control cabinet

表6 材料屬性Tab.6 M aterial attributes

表7 接觸熱導(dǎo)率Tab.7 Contact heat conductance

表8 大功率器件熱耗Tab.8 Powers of high power electronic com ponents

單個(gè)軌道周期內(nèi)，控制電箱的工作時(shí)間不超過(guò)12 min，熱分析時(shí)采取極端工況，熱沉溫度取為溫度上限20℃，具體的工況條件見(jiàn)表9。

表9 工況條件說(shuō)明Tab.9 Description of work states

分析時(shí)重點(diǎn)關(guān)注控制電箱的控制板、接口板以及電源板上的大功率器件在工況期間的平衡溫度及峰值溫度等，控制電箱的穩(wěn)態(tài)工況溫度場(chǎng)如圖8所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)工況熱平衡溫度場(chǎng)Fig.8 Heat balance temperature field of steady state

從圖8可知，控制電箱達(dá)到熱平衡時(shí)所有器件和構(gòu)件的溫度水平都在30℃以下，接口板某型電阻器件的平衡溫度最高，約為28.5℃。第4小節(jié)所述的電阻器件在工況期間的溫度曲線如圖9所示，芯片器件在工況期間的溫度曲線如圖10所示。

圖9 電阻器件溫度水平變化Fig.9 Temperature curve of the resistance component

圖10 芯片器件溫度水平變化Fig.10 Temperature curve of the chip device

從圖9可以看出，上述器件在工況期間溫度呈周期性波動(dòng)，每個(gè)軌道周期上電工作時(shí)溫度迅速上升，上電結(jié)束后溫度迅速回落，經(jīng)過(guò)多個(gè)軌道周期的上電工作，元器件的峰值溫度收斂趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯，連續(xù)的多軌道周期工作，器件溫度已經(jīng)達(dá)到了瞬態(tài)平衡，由此可以說(shuō)明控制電箱具備連續(xù)多軌道周期上電工作的能力。

工況期間各元器件的峰值溫度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表10，可以看出，工況期間各器件的溫度水平均滿足相應(yīng)的降額指標(biāo)要求。

表10 大功耗元器件溫度數(shù)據(jù)Tab.10 Temperatures of high power electronic components

6 熱試驗(yàn)

為獲取整機(jī)溫度分布數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的正確性，并且完善熱分析數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而為熱設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考和依據(jù)，對(duì)控制電箱進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的熱平衡試驗(yàn)，考察了控制電箱的溫度水平和溫度變化。

6.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

本次熱平衡試驗(yàn)裝置包括真空環(huán)境模擬系統(tǒng)、在軌星載荷艙模擬系統(tǒng)、控制電箱負(fù)載加載系統(tǒng)、測(cè)溫元件及測(cè)溫系統(tǒng)等，試驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of test equipment

圖12 電阻器件溫度曲線Fig.12 Temperature curve of the resistance component

在大功率器件表面及電路板重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域粘貼T型銅-康銅熱電偶，利用KEITHLEY測(cè)溫儀采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)后處理得到各器件在工況期間的殼溫變化曲線。

6.2 試驗(yàn)條件及結(jié)果

試驗(yàn)條件與熱分析的工況條件保持一致，試驗(yàn)過(guò)程中空間環(huán)境真空度≤1.3×10-3Pa，環(huán)境溫度設(shè)定在20℃。按照瞬態(tài)工況條件對(duì)控制電箱進(jìn)行加載，模擬控制電箱連續(xù)多軌道周期上電工作，試驗(yàn)直至達(dá)到瞬態(tài)熱平衡為止?？刂齐娤湓谶B續(xù)4個(gè)試驗(yàn)周期的對(duì)應(yīng)時(shí)刻，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值的變化在±1℃以內(nèi)時(shí)，可判定試驗(yàn)達(dá)到瞬態(tài)熱平衡，經(jīng)過(guò)連續(xù)8個(gè)軌道周期的試驗(yàn)，依據(jù)上述判據(jù)，判定控制電箱達(dá)到了瞬態(tài)熱平衡。電阻器件及芯片器件的溫度曲線如圖12及圖13所示。

試驗(yàn)的大功率器件峰值溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表11。從表中可以看出，器件的溫度水平完全滿足降額殼溫指標(biāo)，并且仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得也很好，誤差均在2.7℃以內(nèi)，通過(guò)控制電箱的熱平衡試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了熱控方案的正確性和合理性。

圖13 芯片器件溫度曲線Fig.13 Temperature curve of the chip device

表11 試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.11 Statistic of test temperature data

7 結(jié) 論

本文根據(jù)空間應(yīng)用電子設(shè)備的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)原則，對(duì)某空間光學(xué)遙感器的大功率控制電箱進(jìn)行了熱控設(shè)計(jì)，對(duì)各大功率元器件采取了針對(duì)性的熱控措施，通過(guò)熱分析及熱平衡試驗(yàn)手段對(duì)控制電箱的熱控方案進(jìn)行了充分考核和驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明，控制電箱的整機(jī)穩(wěn)態(tài)工況熱平衡溫度水平＜30℃，各器件的瞬態(tài)工況峰值溫度≤54.2℃，完全滿足器件的一級(jí)降額殼溫要求，說(shuō)明熱控設(shè)計(jì)方案合理可行，熱控措施正確有效。

目前空間應(yīng)用電子設(shè)備沿著高熱流密度和高集成度的方向快速發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)對(duì)相應(yīng)的熱控設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越苛刻的要求，今后設(shè)備研制中機(jī)械、電子及熱控的并行一體化設(shè)計(jì)將會(huì)是發(fā)展趨勢(shì)，有關(guān)課題還需進(jìn)一步探討和研究。本文所探討的大功率控制電箱的設(shè)計(jì)思路和方案可以為其它空間應(yīng)用電子設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

［1］ 齊迎春，許艷軍，趙運(yùn)隆.空間遙感器電子學(xué)單機(jī)熱分析［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，32（3）：366-369. QIY CH，XU Y J，ZH Y L.Thermal analysis for the electric cabinet of the space remote sensor［J］.J.Changchun University of Science and Techonology（Natural Science Edition），2009，32（3）：366-369.（in Chinese）

［2］ 于慈遠(yuǎn).計(jì)算機(jī)輔助電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計(jì)及熱測(cè)量技術(shù)的研究［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2000. YU C Y.Research on technique of computer aided thermal analysis，design and test on electronic equipments［D］.Bei-jing：Beijing University of Aeronauticsan d Astronautics，2000（in Chinese）

［3］ 侯增祺，胡金剛.航天器熱控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2007. HOU ZQ，HU JG.Spacecraft Thermal Control Technology［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2007.（in Chinese）

［4］ MADSEN E.PCB thermal analysis［J］.Printed Circuit Design.San Francisco，2001，18（2）：34-37.

［5］ PRICE D C.A review of selected thermalmanagement solutions formilitary eletronic systems［J］.IEEE Trans.Compon. Pack.Technol.，2003，26（1）：26-39.

［6］ GO′MEZD，DUFISC，ALTET J，et al..Electro-thermal coupling analysismethodology for RF circuits［J］.Microelectronics J.，1996（10）：1-9.

［7］ BENOIST L，PARLOU?R P LE.Integrated circuit thermal analysis：a new thermal technique for polymer characterization［J］.J.Thermal Analysis and Calorimetry，2000，59（1-2）：351-358.

［8］ FEUILLET V，SCUDELLER Y，JARNY Y.The discrete boundary resistancemethod for thermal analysis of solid-state circuits and devices［J］.International J.Thermal Sciences，2009，48（2）：372-282.

［9］ RINALDIN.Thermal analysis of solid-state devices and circuits：an analyticalapproach［J］.Solid-State Electronics，2000，44（10）：1789-1798.

［10］ KIM IH，NO H CH，LEE J I，et al..Thermal hydraulic performance analysis of the printed circuit heat exchanger using a helium test facility and CFD simulations［J］.Nuclear Eng.and Design，2009，239（11）：2399-2408.

［11］ SEMENA N P，KONOVALOV A A.Using PCB layout formaintenance of a thermalmode in very large-scale integrated circuits of space-application electronic blocks［J］.Thermophysics and Aeromechanics，2006，13（1）：103-110.

［12］ 平麗浩，錢吉裕，徐德好.電子裝備熱控新技術(shù)綜述（上）［J］.電子機(jī)械工程，2008，24（1）：1-10. PING L H，QIAN JY，XU D H.A review of the thermal control technologies for electronic systems：part I［J］.Electro-Mechanical Eng.，2008，24（1）：1-10.（in Chinese）

［13］ 陳立恒，徐抒巖.高分辨率空間相機(jī)電控箱熱設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（1）：69-76. CHENG L H，XU SH Y.Thermal design ofelectric controller for high-resolution space camera［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19（1）：69-76.（in Chinese）

［14］ 景莘慧，陳文鑫.大功率電源模塊的散熱設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2003，19（1）：28-30. JING Z H，CHENGW X.Thermal design of heat sink for a large-power supply module［J］.EIectro-Mechanical Eng.，2003，19（1）：28-30.（in Chinese）

［15］ 陳平，張一軍，朱鐳.熱管在典型密封電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2010，40（4）：83-85. CHENG P，ZHANG Y J，ZHU L.Heat Pipe appiled in thermal design of representative hermetic electric equipment［J］. Aeronautical Computing Technique，2010，40（4）：83-85.（in Chinese）

［16］ 薛軍，孫寶玉，劉巨，等.熱分析技術(shù)在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（2）：176-179. XU J，SUN B Y，LIU J，etal..The application of thermal analysis technology in electronic equipment thermal design［J］. J.Changchun University of Techonology（Natural Science Edition），2007，28（2）：176-179.（in Chinese）

［17］ 孫創(chuàng)，夏新林，董士奎，等.外露式星載光電設(shè)備在軌熱分析［J］.宇航學(xué)報(bào)，2009，30（2）：775-779. SUN C，XIA X L，DONG SH K，et al..Thermal analysis of photoelectricity equipmenton the track［J］.J.Astronautics，2009，30（2）：775-779.（in Chinese）

［18］ 許艷軍，齊迎春，任建岳.空間遙感器電子學(xué)系統(tǒng)熱分析［J］.電子機(jī)械工程，2009，25（2）：12-15. XU Y J，QIY C，REN JY.Thermal analysis of space electronic sensor system［J］.Electro-Mechanical Eng.，2009，25（2）：12-15.（in Chinese）

［19］ 陳立恒，吳清文，羅志濤，等.空間相機(jī)電子設(shè)備熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2009，17（9）：2145-2152. CHENG L H，WU QW，LUO ZH T，et al..Thermal control of high-power focal plane apparatus［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17（9）：2145-2152.（in Chinese）

［20］ 郭亮，吳清文，曹啟鵬，等.空間相機(jī)電控機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)及仿真分析［J］.中國(guó)光學(xué)，2011，4（2）：129-138. GUO L，WU QW，CAO Q P，et al..Thermal design and simulation analysis of electronic controlling cabinet in space camera［J］.Chinese Optics，2011，4（2）：129-138.（in Chinese）

［21］ 關(guān)奉偉，劉巨，曹乃亮.空間光學(xué)遙感器控制器機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)技術(shù)，2012，38（3）：310-316. GUAN FW，LIU J，CAO N L，etal..Structural/electrical/thermal integrated design ofelectric controller for space optical remote sensor［J］.Optical Technique，2012，38（3）：310-316.（in Chinese）

Thermal design of high power electronic control cabinet of space optical remote sensor

GUAN Feng-wei*，LIU Ju
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：buaaguan@sina.com

A high power electronic control cabinet for space optical remote sensors was designed according to the design demands of space electronic equipment.Firstly，the thermal design principle was summarized for space electronic equipment.Then，the thermal design process of the electronic cabinet was generalized，the temperature difference of typical high power electronic components was calculated and the thermal design schemes of printed circuit boards and high power electronic componentswere introduced.Finally，the design schemeswere validated by the means of thermal analysis and thermal test.The test results indicate that the thermal balance temperature of the electronic control cabinet is less than 30℃in a stable working state and the shell temperatures of electronic components are under 54.2℃，which proves that the design schemes fully meet the design requirements of thermal control.

space optical remote sensor；electronic control cabinet；thermal design

V443.4

A

10.3788/CO.20130606.0919

關(guān)奉偉（1984—），男，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，助理研究員，2007年、2010年于北京航空航天大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)遙感器熱控設(shè)計(jì)、熱分析、熱試驗(yàn)等方面的研究。E-mail：buaaguan@sina.com

劉 巨（1974—），男，吉林省吉林市人，博士，副研究員，2005年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事空間光學(xué)儀器熱設(shè)計(jì)、熱分析、熱試驗(yàn)等方面的研究工作。E-mail：yanwuqiu@aliyun.com

1674-2915（2013）06-0919-11

2013-07-09；

2013-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.60506014）