某便携式功放机箱设计

张义军 潘永强

摘要： 机箱作为电子设备的一种典型结构，本文介绍了其设计的一些基本要求，并结合某型雷达接收系统功放机箱的特点，介绍了人机工程、热设计等相关设计技术在机箱结构设计中的应用与实现。

关键词： 机箱;人机工程;热设计

引言

机箱是工业自动化控制设备、仪器仪表、电器及其余军民用电子设备的典型构件。机箱多为矩形六面体，主要由底座、面板和机壳等零件组成，其设计的基本要求有[1]：

（1）保证产品技术指标的实现，包括环境条件、可靠性、维修性、重量、尺寸、强度、安装方式、结构与电讯接口、安全性、电磁兼容性、热特性以及其他特殊要求。

（2）便于设备的操作与安装，为了能有效地操作和使用设备，必须使机箱的结构设计符合人的心理和生理特点，并力求结构简单、拆装方便。

（3）良好的结构工艺性，结构与工艺是密切相关的，不同的结构对应不同的工艺，良好的结构设计可以简化工艺并降低工艺设计的难度，从而降低加工的成本和难度、缩短加工周期，更好地保证产品的质量。

随着电子技术的快速发展，机箱结构面临小型化、积木化、标准化的发展趋势，但由于使用的范围广，所处环境平台也大不相同（如舰载、车载、机载、地下、海中等），因此对机箱的设计要求也不尽相同。某型雷达接收系统功放机箱的特点是体积小、发热量大，便携式、仪表型。本文从总体设计、人机工程和热设计的角度，介绍了该功放机箱在功能特点实现过程中的设计思路与方法。

1. 功放机箱设计

该功放机箱用于产品技术指标的测试，内部装有：初级放大组件模块、末级放大组件模块、开关电源。

具体设计要求有：体积小、重量轻，结构适合野外放置，便携式仪表型，初级放大组件、末级放大组件表面温度不超过60℃，功率输出为200W的连续波，功率输入和输出采用射频头，带有电压指示和电压调节功能，面板装有电源开关并带有工作指示灯。

1.1总体设计

该机箱属便携式仪表型，根据机箱中各设备的外形尺寸，在保证结构紧凑的前提下，确定机箱的外形尺寸为400×160×425mm ，箱体由面板、后板、左侧板、右侧板以及盖板和底板组成（见图1），相互之间采用螺钉连接。机箱面板上装有把手、电源开关、输入和输出射频头、电压指示表以及电压调节旋钮。底板上安装初级放大组件、末级放大组件和开关电源，左侧板上开有通风槽，右侧板装有散热风扇、220V电源输入座、接地桩和保险丝。机箱的后板和底板上分别装有四个减振器支座。

图1  机箱外形（去盖板）

表1 各器件参数

器件

名稱

输入

功率

输出

功率

发热量

效率

初级放大组件

50W

25W

25W

50%

末级放大组件

500W

250W

250W

50%

开关

电源

650W

550W

100W

85%

1.2人机工程及其它设计[2]

机箱上的接地桩和把手采用标准件，把手安装在面板的左右两侧，以利于搬运。面板上的其它器件呈左右对称分布。由于射频输出功率为200W，功率较大，所以采用N型射频同轴连接器作为输入输出头，并放置在面板下方，便于测试电缆的连接。电源和风扇共用一个开关，选用具备电源指示功能的KD2-22M型带发光二极管自锁按钮开关。电压指示表放置在面板中心偏上位置，以便于观察。使用频率最高的电压调节旋钮放置在面板右上角，以便于操作和调节。机箱的后板和底板上分别装有四个减振器支座，既可平放于桌面，也适用于野外环境直立放置。220V电源输入座、接地桩和保险丝放置于右侧板上，在不影响野外直立放置使用的基础上便于操作。考虑到强度和重量，左、右侧板均采用1.5mm厚钢板折弯、四角焊接的结构（如图2所示），其余零件直接采用密度较小的铝板加工。此外，机箱各结构件的设计在外型优化的基础，还采用钝角、圆边等设计保证其安全性和涂覆可达性。

图2  机箱左侧板结构

机箱采用421丙烯酸聚氨酯磁漆进行表面涂覆。考虑到机箱仅在测试时才会在野外环境使用，结构设计时未作深入的密封防水设计考虑。

机箱的输入功率为电源和风机的输入功率之和，为690W，输入电流4.4A，选用额定电流为4A的BGXP-1-4A型保险丝。

1.3热设计

由于初级放大组件、末级放大组件、开关电源均安装在封闭空间内，且热耗较大，仅依靠自然散热无法满足器件正常工作要求，必须采用强迫风冷的散热方式[3]。末级放大组件输出最大功率250W。由表1的数据可知，机箱最大发热量为：

Q=25+250+100=375W。

假设机箱处在30℃的环境下，风机出口空气的温度为40℃，根据热平衡方程，机箱所需风量为：

V=Q/（CP×ρ×Δt）

=375/（1.2×1005×（40-30））

= 0.03m3/s=1.89m3/min

（CP—空气的比热;ρ—空气的密度;

Δt—空气进出口温差）。

考虑到机箱内空间较大，若采用单风机，机箱内部分空间空气流速较慢，将大大影响设备散热效果，因此机箱配备两个风机，考虑到风压与风量的匹配关系，选用风量为2.1m3/min的风机（型号：113FZY2-S）。

设计完成后，采用热分析软件对机箱散热性能进行验证与优化。从空气流线图（图4）可以看出穿过末级放大组件和初级放大组件器件的空气较少，导致末级放大组件表面温度偏高，达到62℃，超过60℃的临界设计值。通过在底板增开五组70×10mm的通风槽后（见图3）对机箱散热性能进行重新分析，末级放大组件周围空气流量有了一定的增加，表面温度也降低了约5℃左右（见图5），满足设计要求。

图3  通风槽

设计改进后的功放机箱通过了高低温、湿热、振动、冲击等系列例行实验，实验情况良好。在后期使用过程中也没有因设计缺陷而出现故障。

图4  热分析图（改进前）

图5  热分析图（改进后）

2.结束语

功放机箱的设计涉及到机械学、电学、系统工程学、环境科学等多种基础学科的综合应用，必须从系统工程的角度，借助好的设计方法和设计手段，根据各种电子设备的不同要求，分清主次，在满足技术指标的前提下，使设计尽可能地合理，从而设计出好的产品来。

参考文献：

[1]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.

[2]黄铮.机箱面板设计思路浅说[J].无线电工程，2000（1）.

[3]郭欣茹，张亚峰.电子设备机箱的强风冷设计[J].无线电通信技术，2004（3）.

作者简介：

张义军（1981-），男，博士，工程师，现主要从事电子设备结构设计等工作。

潘永强（1978-），男，高级工程师，现主要从事电子设备结构设计等工作。