CN110769638A - 轻量化综合化电子设备机架结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种轻量化综合化电子设备机架结构的方法，旨在提供一种开放性好，具有良好的可靠性和兼容性的轻量化综合化电子设备机架。本发明通过下述技术方案实现：将电子设备拆分为组合起来实现某个功能的电子模块；以碳纤维制备的左、右侧板、背板组件和设有畅通散热流道的上、下盖板围成三维框架；框架前部层叠隔层设为机械承载电子模块的承载区，中部设为风冷散热区，后部设为电子模块电气互联及对外电气接口区域；风冷散热区以线阵排列的风机组件将电子模块承载区分隔为上下安装多个电子模块的隔层；电子模块壳体后端与机架后部背板组件上的电气连接器紧密接触，通过射频线缆连接背板组件后部的印制板连接多个电子模块，实现电气互联。

Description

轻量化综合化电子设备机架结构的方法

技术领域

本发明涉及综合化电子设备结构设计及其轻量化设计。

背景技术

如今，随着计算机网络的发展，数据中心的服务器以及网络通信设备等IT设施，正逐步向着网络化、机架化的方向发展。机架指的是仅被用于综合布线，安装配线架和理线架，实现对电缆和光缆布线系统的管理。在网络机柜中不具备封闭结构的机柜则称之为机架。机架一般不具备电子模块的电气发生功能，因此机架基本不产生热量。综合化机架的突出特点是通用化和电子模块化，通常采用开放式的体系结构。可将各个现场可更换电子模块(LRM)集中布置到综合化机架之中，电子模块中各个干扰源与敏感电路之间有完整的电路连接，而且电路连接的距离近，耦合比较大。例如，公共电源、地环路以及信号线之间的近场感应，可能导致数字接收器件的误码增加，带来传输或控制的错误。采用综合化设计之后，可把多个信道中相同的功能合并到一个电子模块处理，如信道电子模块负责多个信道的建立和变频，信号处理电子模块负责多个信道调制/解调、编码，综合保密电子模块负责多信道及多源信息密码处理。即综合化之后将原来串行电子模块连接变为网状连接，电子模块之间互联关系变得复杂。同时，为了在网状互联系统中达到低时延等要求，必须增加各类传输线速率，从而也增加了传导和辐射的风险。在射频综合部分，为了实现系统优异的维修性、功能可重构性和任务可靠性，一般需考虑电子模块的通用性。具体方法是将频段、中频带宽和动态范围相近的电子模块进行通用化设计，不同的功能线程共用同一种电子模块。在射频综合化设计中，由于各个功能线程的技术指标侧重点不同，诸如噪声系数、瞬时动态、各种动态范围压缩手段的区别等，造成了射频前端的设计往往要兼顾各种指标，由此带来了多倍频程的分段设计、不同频段及带宽的滤波器堆积以及多种通道增益设计及其控制手段的并存等冗余设计问题。而综合化系统设计中，多种功能线程并存又必然带来通道数量的规模需求，因此相对独立设备而言，这种冗余显得更加突出。系统综合化设计之后，可能会出现由于功能线程之间共用天线和射频通道硬件资源时导致的的硬件资源需求冲突情况，此时必然带来系统任务管理和资源调度的问题，而且是跨功能域的资源调度，系统管理变得更加复杂。

通用化、电子模块化设计是系统综合化设计的关键和重点。要实现系统综合化设计，一般采用的技术途径是遵循自顶向下的设计方法，确定系统的功能配置，建立系统的体系架构，进行系统的电子模块划分。电子设备的种类越来越多，大小也有所不同。电子设备的尺寸大小影响了机箱机架的尺寸，成本、重量、体积和功率等方面的限制，制约了电子设备在平台上的数量和部署。目前航空电子系统体系结构已经从分离的独立电子设备发展到电子模块化综合航电系统，电子模块化综合航电系统的特点是开放性好、全寿命成本低、具有良好的可靠性和兼容性。电子模块化综合电子设备是将多个分离的独立电子设备以电子模块化的形式组合起来，同时依据实际振动环境，采用局部隔振和整机力学仿真实现整机抗振设计的设备。随着电子设备的功能集成度提高，其热流密度日渐提升，散热和抗振成为设计中的难点，热流密度18W/cm²，热耗达到60W，且需要自带风机解决散热，散热已经成为电子设备进一步综合化的难题之一。由电子模块综合化带来的是电子设备热流密度的大幅提升，设备冷却已经成为电子模块综合化必然要解决的问题。在电子设备综合化的同时，设备工作的频率也更为复杂，糅合在一起后电磁兼容性设计更为困难，其工作频率150KHz至20GHz，需要满足GJB151B-2013的电磁屏蔽要求。高度综合电子模块化的航空电子设备由于其规模大、LRM电子模块集成度高、环境温度恶劣等特点，必然导致热耗大、热源相对集中、自然对流效果不理想等问题，因此在结构上采用适当的热设计技术解决系统的散热问题是关键。航空电子设备环境温度通常比较高，一般选择强迫通风冷却或通液冷却。通液冷却的效果总体来说优于通风冷却，但密封设计要求相对较高，同时受到载机环境平台的限制。机载电子设备集成了多个独立设备的功能，要求具备现场维护功能，根据总体方案，采用电子模块化综合结构形式。装机平台要求较小的安装空间尺寸，重量要尽可能轻，能自行解决热耗，并且能耐受严苛的振动条件。依据前期划分，整个设备分为两大部分，机架和一系列现场可更换电子模块(LRU)。机架主要为各个电子模块提供机械安装、电路板保护和电气互联区域功能。为实现所有的LRM电子模块可现场替换，所有的内部电气互联集中于机架背部，包含LRM电子模块与机架之间的互联和电子模块与电子模块之间的互联。同时将设备的对外信号在电气互联区域产生，依据安装平台要求的空间尺寸，大致规划出机架的结构形式。机架包含：与主机的安装接口和电气接口，与电子模块的机械电气接口，散热部分。作为电气功能的物理载体，电子模块的封装成为热、振动和电磁等多个学科的高度融合和关联设计。依据电路功能的划分，该设备可以包含15个电子模块，各个电子模块具有相同的界面尺寸和类似的机械电气接口，可根据内部电路板的差异而更改电子模块的厚度，电子模块前面具有统一的起拔功能，并且附有电子模块的标识功能，中间采用可靠性高的锁紧条锁紧，背部为电气接口。热设计包括选择合适的冷却方式，布置冷却液流型、方向以及排列封装内的电子部件等。电子模块承载区电气互连、背板与机箱之间电气互连、机架与载机平台间电气互连，其结构通常由背板组件和围框组成。背板组件主要包含金属框架、母板、低频连接器及射频连接器等，主要实现各功能电子模块的信号互连。综合化航空电子设备的集成度高、结构复杂。设备的热耗都集中在电子模块中，热和振动设计作为电子模块化综合电子设备的设计重点和难点，将成为该类设备设计中必然面临的问题。

目前许多工业领域特别是在航空航天领域广泛的应用碳纤维复合材料。碳纤维树脂基复合材料主要运用于飞机蒙皮，汽车车身等单纯的机械结构件，起力学支撑作用。在电子产品领域如笔记本电脑、大型LED显示器、音响等有应用，但不具备严酷散热和电磁屏蔽需求。对于重量要求更为严格，环境适应性要求更高(如热和振动等)的电子产品，在热设计需求上虽然可以采用碳纤维复合材料制造零件，但基于碳纤维复合材料制造的零件一般导热能力很差，碳纤维复合材料的弱导电性将使得设备难以满足电磁兼容性要求。目前鲜有运用。同时，对于复杂综合化电子设备，要求设备具备二级维护功能。目前碳纤维复合材料在综合化类的电子产品中无实际运用。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种开放性好、成本低、具有良好的可靠性和兼容性，基于碳纤维复合材料的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，主要解决制造轻量化的综合化电子设备机架结构件时面临的电磁兼容适应性和散热需求，以降低设备的结构件重量。

本发明的技术方案为：一种轻量化综合化电子设备机架结构的方法，具有如下技术特征：将设备分为机架和电子模块两大部分，电子设备按照实现功能或工作特点的电子产品特性，拆分为多个具有独立功能或者组合起来实现某个功能的电子模块，以碳纤维制备的左、右侧板、背板组件2和设有畅通散热流道的上、下盖板5围成三维密封框架，并且左、右侧板前方为碳纤维板，后方为铝合金镶嵌板3；框架前部层叠隔层设为机械承载电子模块的承载区4，中部设为风冷散热区，后部设为电子模块电气互联及对外电气接口区域1；风冷散热区以线阵排列的风机组件6将电子模块承载区4分隔为上下安装多个电子模块的安装隔层；采用金属制造的电子模块壳体通过隔层上平行排列滑槽插入承载区4，电子模块间隙排列形成风道，通过电子模块间隙和隔层安装板的减重通孔形成前后贯通的风道，冷却风经过电子模块表面带走电子模块的热量；电子模块壳体后端通过导电橡胶锁紧条与机架后部背板组件2上的电气连接器紧密接触，实现导电，电气连接器通过射频线缆连接背板组件2后部的印制板，印制板通过射频线缆同时连接多个电子模块，实现电子模块间的电气互联。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

设备的轻量化。本发明将结构设计中热、振动和电磁等多个学科高度融合于机架，将机架结构件由铝合金板等金属材料更改为以树脂为基体的碳纤维复合材料(CFRP)，利用密度仅为1.5-1.8g/cm3的高性能碳纤维复合材料增强体，相比传统金属合金材料而言，其密度大大降低；高强度碳纤维-环氧基复合材料(单向)的比强度是钢SAE1010(冷轧)的近20倍，是铝6061-T6的近10倍；其比模量则超过这些钢材和铝材的3倍。这些特性使CFRP的利用效率大为提高，实际证明用CFRP代替钢或铝可减轻重量达20％～40％。通过使用新材料，对应的结构件改动后重量，可以将一般占设备总重量60％的机架结构件重量降低约30％；对于综合化类电子设备，可以采用碳纤维复合材料制造的结构件占77％，占总重量的44％，使用碳纤维后减重占比可以达到整个设备重量的13％。该数据是在金属状态已经充分挖掘减重设计之后的重量，对于重量要求极其严格的使用环境，如航空平台，一些综合机架重量达到50Kg左右，减重5Kg对产品性能参数和装机平台而言都具有明显效果。

本发明采用开放式体系结构，实现公共资源之间的互连互通。通过电子模块共用、复用和集成等措施减少电子模块数量，提高射频的容错和重构能力。通过锁紧条的扩张实现与机架的紧密结合，保证电子模块的牢固安装，提高机架的整体刚度；通过控制系统的固有频率，可以避免外激励作用下的共振。在保证系统关键任务能力的前提条件下，提高系统的综合保障能力和任务可靠性，降低系统的体积、重量和功耗，并降低系统全寿命周期成本。

满足高热流密度散热需求。本发明依据电子模块热耗估算，针对自然散热不能满足电子设备的散热需求，碳纤维复合材料制造的零件一般导热能力差问题，将框架前部层叠隔层设为机械承载电子模块的承载区，中部设为风冷散热区，后部设为电子模块电气互联及对外电气接口区域，采用设备自带风机组件提供风源强迫风冷的方式冷却自然对流散热，并依据设备的尺寸情况和热耗情况放置风机位置。相邻的电子模块面形成风道，风道前后贯通，形成较通透的风道，热量由通过的冷风带走，选择强迫风冷的散热方式解决了设备散热。由于上下盖板都设计有保证流道畅通的足够孔隙，同时有电子模块间隙和安装板的减重通孔形成完整的风道，利用风机组件位于机架围框中部的电子模块承载区，电子模块间的间隙形成风道，冷却风经过电子模块表面时带走电子模块的热量，电子模块间隙可以随着电子模块热耗而调整。电子模块机械零件采用金属制造，可以高效地传递电子模块内部芯片、器件产生的热量。

本发明对于发热量大的电子模块，通过改变入风风量，调整风道宽度，优化电子模块外形等设计，以金属外壳散热齿提升散热效率。在基于碳纤维复合材料的结构件轻量化设计方案前提下，采用散热齿结构可以增加冷却风与电子模块表面的接触面，同时也减小了电子模块盒体的壁厚，使得散热效果大幅增强。能满足高热流密度的综合化设备散热需求，可以解决80W热耗的电子模块在71℃条件下的散热(基于ASACC标准电子模块)，单个芯片热流密度可以达到18W/cm²。

满足电磁兼容性设计要求。本发明从电路及元器件选择、滤波器、屏蔽、布线(印制板)及连线、接地等方面来考虑电磁兼容性要求，分为电子模块和电器互联两个部分来实现电磁兼容性设计。碳纤维机架前面碳纤维结构中的电子模块部分，盒体本身就是金属制造，同时使用导电橡胶材料来增强其电磁密封性能，背部电器互联部分使用的是铝合金镶嵌板结构件，并在其侧面设计有接地柱以实现其电磁屏蔽性能。从机架的综合性能来看，其电磁兼容性可以满足GJB151B-2013的相关要求，可以达到电磁屏蔽的目的。同时开放性好、成本低、具有良好的可靠性和兼容性。

本发明为了保证设备的正常工作以及安装后的调试测试，采用的是可插拔电子模块的设计方式。此设计方式不仅能够实现不同功能电子模块的现场可更换，同时可以满足设备的二级维护要求。二级维护的作业项目和作业周期根据设备的性能、使用条件、故障规律、配件质量以及经济效果等情况综合考虑。

附图说明

图1是本发明轻量化综合化电子设备机架的三维示意图；

图2是图1的局部正面构造示意图；

图3是电子模块热传递散热性结构示意图；

图4是现有技术一般结构形式机架对照示意图。

图中：1对外电气接口区域，2背板组件，3铝合金镶嵌板，4电子模块承载区，5上、下盖板，6风机组件，7接地柱，8电子模块盒体，9发热芯片，10散热齿。

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚明了，下面结合实施实例示意图对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，将设备分为机架和电子模块两大部分，电子设备按照实现功能或工作特点的电子产品特性，拆分为多个具有独立功能或者组合起来实现某个功能的电子模块，以碳纤维制备的左、右侧板、背板组件2和设有畅通散热流道的上、下盖板5围成三维密封框架，并且左、右侧板前方为碳纤维板，后方为铝合金镶嵌板3；框架前部层叠隔层设为机械承载电子模块的承载区4，中部设为风冷散热区，后部设为电子模块电气互联及对外电气接口区域1；风冷散热区以线阵排列的风机组件(6)将电子模块承载区4分隔为上下安装多个电子模块的隔层；采用金属制造的电子模块壳体通过隔层上平行排列滑槽插入承载区4，电子模块间隙排列形成风道，通过电子模块间隙和隔层安装板的减重通孔形成前后贯通的风道，冷却风经过电子模块表面带走电子模块的热量；电子模块壳体后端通过导电橡胶锁紧条与机架后部背板组件2上的电气连接器紧密接触，实现导电，电气连接器通过射频线缆连接背板组件2后部的印制板，印制板通过射频线缆同时连接多个电子模块，实现电子模块间的电气互联。

电子模块间的电气互联通过综合机架实现，综合机架由不封闭结构的碳纤维左、右侧板、设有足够孔隙以保证畅通散热流道的上、下盖板5和碳纤维背板组件围框组成的碳纤维机架。碳纤维机架设计有接地装置接地柱7，以满足设备的电磁兼容性要求。机架分前方碳纤维板和后方铝合金镶嵌板3两部分。

碳纤维板和铝合金镶嵌板(3)金属部分采用螺接方式的连接，通过在碳纤维中埋入金属块，打螺纹孔的方法实现两者之间的连接；前方的碳纤维板上可安装多个电子模块盒体(8)，电子模块通过机架隔框正面安装于机架前方，电子模块壳体采用金属制造，电子模块后端与机架后部通过销轴导电橡胶压紧的方式来紧密接触，以实现导电，电子模块的后部通过电气连接器与机架后方的印制板、射频线缆连接，该印制板或射频线缆同时连接多个电子模块，以实现电子模块间的电气互联。

参阅图3。电子模块散热性结构包括：电子模块盒体盖板(8)和固定在电子模块盒体盖板(8)两侧的发热芯片9和散热齿(10)及其电子模块冷却风间隙流道，发热芯片9产生的热量通过发热芯片(9)底部的导热衬垫，传递到电子模块盒体盖板(8)背端的散热齿(10)，最后由冷却风通过散热齿(10)之间的电子模块冷却风间隙流道，带走电子模块盒体表面的热量，使电子模块处在正常工作的稳定热环境中。

冷却风可以由设备装载平台提供，也可以由设备自身携带风机提供。在此前提下，机架可以不具备导热功能。

综合化机架体系架构为提升系统对关键任务的持续支撑能力，降低其体积、重量和功耗。多通道同时工作实现系统诸多功能的接收和发射，而实现这些功能的各种频段的众多通用的上下变频电子模块集中在同一个机架内。在各功能电子模块的电源输入端采用滤波器对输入电源进行滤波，以确保各电子模块电源与载机电源系统之间的电磁兼容；设计电压预处理电路，对输入电压的大幅波动进行稳压，确保电路输出电压在后端DC-DC变换器所需要的供电范围内；对输入机架的电源进行EMI滤波，保证综合化机架满足电磁兼容的要求；电源电子模块采取多级、多种防辐射、抗干扰和抗浪涌措施，以满足系统供电的稳定和安全。

本说明书，包括任何附加权利要求、摘要和附图中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。

Claims (10)

1.一种轻量化综合化电子设备机架结构的方法，具有如下技术特征：将设备分为机架和电子模块两大部分，电子设备按照实现功能或工作特点的电子产品特性，拆分为多个具有独立功能或者组合起来实现某个功能的电子模块；以碳纤维制备的左、右侧板、背板组件(2)和设有畅通散热流道的上、下盖板(5)围成三维框架，并且左、右侧板前方为碳纤维板，后方为铝合金镶嵌板(3)；框架前部层叠隔层设为机械承载电子模块的承载区(4)，中部设为风冷散热区，后部设为电子模块电气互联及对外电气接口区域(1)；风冷散热区以线阵排列的风机组件(6)将电子模块承载区(4)分隔为上下安装多个电子模块的安装隔层；采用金属制造的电子模块壳体通过隔层上平行排列滑槽插入承载区(4)，电子模块间隙排列形成风道，通过电子模块间隙和隔层安装板的减重通孔形成前后贯通的风道，冷却风经过电子模块表面带走电子模块的热量；电子模块壳体后端通过导电橡胶锁紧条与机架后部背板组件(2)上的电气连接器紧密接触，实现导电，电气连接器通过射频线缆连接背板组件(2)后部的印制板，印制板通过射频线缆同时连接多个电子模块，实现电子模块间的电气互联。

2.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：电子模块间的电气互联通过综合机架实现。

3.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：综合机架由不封闭结构的碳纤维左、右侧板、设有足够孔隙以保证畅通散热流道的上、下盖板(5)和碳纤维背板组件围框组成的碳纤维机架。

4.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：碳纤维机架设计有接地装置接地柱(7)，以满足设备的电磁兼容性要求。

5.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：机架分前方碳纤维板和后方铝合金镶嵌板(3)两部分。

6.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：碳纤维板和铝合金镶嵌板(3)金属部分采用螺接方式的连接，通过在碳纤维中埋入金属块，打螺纹孔的方法实现两者之间的连接。

7.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：电子模块散热性结构包括：电子模块盒体盖板(8)和固定在电子模块盒体盖板(8)两侧的发热芯片(9)与散热齿(10)及电子模块冷却风间隙流道。

8.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：发热芯片(9)产生的热量通过发热芯片(9)底部的导热衬垫，传递到电子模块盒体盖板(8)背端的散热齿(10)，由冷却风通过散热齿(10)之间的电子模块冷却风间隙流道，带走电子模块盒体表面的热量，使电子模块处在正常工作的稳定热环境中。

9.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：综合化机架体系架构，多通道同时工作实现系统诸多功能信号的接收和发射，实现这些功能各种频段的众多通用的上下变频电子模块集中在同一个机架内。

10.如权利要求1所述的轻量化综合化电子设备机架结构的方法，其特征在于：各功能电子模块的电源输入端采用电压预处理电路，对输入电压的大幅波动进行稳压和滤波器对输入电源进行EMI滤波，以确保各电子模块电源与载机电源系统之间的电磁兼容，确保电路输出电压在后端DC-DC变换器所需要的供电范围内。

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