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新型机载显示器模块化设计研究

2020-03-02封振王磊官权

机械工程师 2020年2期
关键词:内部空间集成化显示器

封振,王磊,官权

(苏州长风航空电子有限公司,江苏苏州215151)

0 引 言

近代以来,飞机的各项性能在稳步提升,对机载设备的要求也越来越严格。而机载显示器作为飞行员与外界交流的“眼睛”,对于保障飞机的安全性至关重要。传统的显示器结构,集成化水平不高,拆装与维修都不方便,并且对于大功率器件的散热效果不理想,难以满足现代飞机对于机载电子设备的要求,因此需要提高设备的通用化与模块化程度。

文中在传统显示器结构的基础上提出了一种后盖板集成化设计方法,此方法采用背板式结构,减薄了显示器的整体厚度,减轻了设备的质量,并且具有良好的散热性与可维修性。

1 机载设备要求

机载显示器作为飞机系统的重要组成部分,不仅需要适应复杂的工作环境,而且还要能够实现通用化与系列化要求。随着科学技术的不断进步,机载设备中的高新技术含量不断增加,设备的种类越来越多,设备之间的相互影响也越来越严重,因此必须处理好设备结构设计中的电磁兼容、模块化、散热、三防等问题。

首先,由于机载显示器内部空间有限,为了实现各种复杂的功能,在设计时通常大规模采用集成电路及高密微波集成设计,这种设计方法会产生复杂的电磁干扰信号,如果设备的电磁兼容达不到要求,很容易影响飞机的整个航电系统。其次,现代机载设备要在-40 ℃~+70 ℃环境下正常工作,考虑到大规模的集成电路和高功耗、高密度封装的芯片会导致设备内部温度升高,因此良好的散热效果是保证设备正常工作的必要条件[1]。对于设备散热来说,模块化集成设计更容易将高功耗芯片的热量导出到设备外部,从而降低设备的内部温度。最后,在制造工艺方面,针对规定的气候环境、机械环境、三防环境等各项环境要求,选用合适的材料并通过采取适当的加工工艺,使设备适应湿热、霉菌、盐雾等环境条件。

2 整机结构改进设计

多功能、轻量化、小型化是现代机载显示器的发展方向。功能的增加必然引起设备的功耗增加、内部芯片产生的热量增加;质量轻、体积小则直接导致设备内部空间减小,电磁兼容与内部散热变得复杂,这些问题都将直接影响到结构设计。为了更好地满足机载显示器的发展要求,文中在原有设计的基础上提出了一种模块化背板设计。

2.1 结构设计对比

早期机载显示器外形尺寸较大,多采用竖直插板式,内部板子数量较多,导致显示器尾部比较笨重,增加了显示器的厚度 与 质量,并且不利于内部芯片散热。典型机载显示器结构如图1所示。

图1 典型结构分解图

这种结 构 简单,内部空间充分,PCB板可使用面积较大,但其质量大、占用空间多、集成化程度不高,很难满足现代化要求。因此采用集成化背板结构既能节省空间、减轻质量,又能方便拆卸、散热。

考虑到后盖板集成化设计缩小了设备内部空间,使得内部PCB的可使用面积减小,因此需要根据内部空间大小对PCB进行合理布局。对于内部PCB个数较多的设备来说,首先对空间进行区域划分,并对PCB 上元器件的高度进行限制,在满足性能要求的前提下,优先选择尺寸较小的模块;接着对多个PCB进行分层布置,避免超高器件之间相互干扰,各PCB之间通过对插或柔性连接板的形式进行对接。具体布局如图2所示。

图2 内部PCB分层布局图

由图2可知,内部PCB分为上下4层装配,并且尺寸较高的模块与上下两层板子错开布局,并且板子之间通过矩形连接器实现对插。

改进后的设备结构如图3、图4所示,由图可知,改进后的显示器集成化程度较高,并且集成后的显示器结构紧凑,厚度远小于原来的显示器厚度,其结构件的数量也较少,使得显示器的拆装较为简单。这种设计方法通用化程度较高,目前已经推广到多种型号飞机中。

图3 改进结构分解图

图4 后盖板集成设计

2.2 可靠性分析

对于机载显示器来说,无论是处于工作状态,还是在贮存、运输过程中,都将受到外部环境的影响。其中温度的变化往往引起设备老化、氧化及结构变形;机械应力则容易引起设备疲劳与断裂,而湿热、盐雾、霉菌则容易引起金属件的腐蚀和电子设备的失灵。改进后的结构针对设备的可靠性要求,做了防护处理。对于需要散热的高功耗器件,通过与后盖板直接接触,将热量导出,如图5所示。

对于电磁兼容性能,除了在元器件选型时选用带有金属屏蔽外壳的电子器件外,在后盖板与液晶显示模块的结构件搭接处设计出90°转角搭接面,并加装导电橡胶,使得外壳各部分之间具有良好的电磁接触,在壳体结构上形成电磁封闭,以保证电磁的连续性。结构形式如图6所示。

图5 后盖板散热

2.3 仿真结果对比

后盖板模块化设计的主要目的是为了减轻设备质量,减小设备体积,满足高功耗散热需求。文中运用热仿真软件FloTHERM[2-3],对 于传统显示器与模块化设计显示器分别进行了热仿真计算[4-6]。计算时的外部条件与显示器功耗保持一致,环境温度为70℃,计算结果如图7~图8所示。

图6 结构件连接方式

图7 传统显示器温度分布

图8 模块化显示器温度分布

由图可知,相同工况下,传统显示器内部最高温度为131℃,模块化设计显示器内部最高温度为101 ℃,两者最高温度相差30 ℃,而一般芯片的最高工作温度在125 ℃,此时传统的显示器散热方式已不能满足要求。对于模块化设计的显示器来说,高功耗芯片产生的热量通过与后盖板直接接触导出到外部环境中,降低了设备内部温度,保证了设备工作的安全性与可靠性。

3 结 论

文中通过后盖板集成化设计,有效地改善了传统机载显示器外形尺寸大、插板数量多、尾部笨重、不利于散热等缺点,提高了显示器的空间利用率与可维修性,使得设备更加轻薄,很好地满足了现代化飞机对机载显示器的要求,为机载显示器的优化设计提供了经验基础。

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