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

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。