熱優(yōu)化數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計

飛行測試儀器（FTI）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）使用分布在整個飛機(jī)上的數(shù)據(jù)采集單元（DAU），通常在狹小的空間內(nèi)，這推動了對小型底盤的需求。與此同時，對更高DAU性能的需求正在上升，導(dǎo)致更多的發(fā)熱組件更緊密地封裝在一起。由于機(jī)箱充當(dāng)內(nèi)部組件的散熱器，因此較小的機(jī)箱提供較少的金屬來從組件中吸取熱量。

為了正確理解飛行測試儀器（FTI）測量的準(zhǔn)確性，設(shè)計人員需要了解電子設(shè)備溫度的測量精度。預(yù)計在更極端溫度下運行的電子設(shè)備將在一定范圍內(nèi)進(jìn)行測試和認(rèn)證（對于堅固的航空航天電子設(shè)備，通常為 -40 °C 至 85 °C）。因此，最好檢查制造商聲稱的準(zhǔn)確性的詳細(xì)信息，因為引用的最佳情況規(guī)范可能與實際條件下的性能不匹配。

熱量也會老化硬件。即使系統(tǒng)按照目標(biāo)規(guī)格運行，如果它們運行得很熱，其有效壽命也會縮短。近似估計是，溫度升高10°C會使組分的使用壽命減半（通過阿倫尼烏斯方程，反應(yīng)速率的溫度依賴性公式）。實際上，雖然系統(tǒng)故障比組件的使用壽命更復(fù)雜，但它仍然很重要，尤其是在涉及高溫時。應(yīng)考慮有效壽命，因為從長遠(yuǎn)來看，如果物品需要更頻繁的更換，較低的初始數(shù)據(jù)采集單元 （DAU） 成本最終可能會更昂貴。

飛行測試儀器中的熱量增加

由于DAU機(jī)箱充當(dāng)內(nèi)部組件的散熱器，因此較小的機(jī)箱意味著更少的金屬將熱量從組件中帶走。這種情況因通道密度較高的趨勢而更加復(fù)雜。更重要的是，吞吐量和通道數(shù)的增加需要將更多功率吸入機(jī)箱，從而產(chǎn)生更多的熱量。如今，許多飛機(jī)在機(jī)身中使用復(fù)合材料，其導(dǎo)熱性明顯低于金屬。例如，玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù) （k） 為 ~ 0.04 vs. 鋁的 236（以 SI 單位瓦特/米開爾文 （W·m?1·K?1）在0°C）。這意味著DAU無法像以前那樣有效地使用傳導(dǎo)冷卻;K值越低，材料導(dǎo)熱越差。

［表1 |DAU和飛機(jī)中使用的一些常見材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

FTI 系統(tǒng)中的散熱

現(xiàn)有FTI系統(tǒng)中使用哪種散熱方法通常取決于安裝的年齡和飛機(jī)的大小。例如，較舊的DAU往往相對較大，并且在主要由金屬制成的飛機(jī)中用螺栓固定在金屬上，這使得DAU和（假設(shè)設(shè)計良好）從DAU中的組件到更大的金屬底盤具有良好的傳導(dǎo)冷卻。也可能有一些開放空間可以實現(xiàn)體面的對流冷卻。

［圖1 |DAU散熱通常使用傳導(dǎo)，對流和輻射來實現(xiàn)。

一些DAU放置在使用被動或強(qiáng)制風(fēng)冷的機(jī)架中（通常僅在大型飛機(jī)中提供）。這些受益于良好的對流冷卻以及機(jī)架中的一些傳導(dǎo)。位于狹小空間（有時位于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上）的小型底盤的趨勢使得DAU組件的散熱變得越來越困難。這一現(xiàn)實使得正確理解和實施DAU中的良好熱設(shè)計決策以滿足當(dāng)前和未來的FTI DAU要求至關(guān)重要。

最佳散熱設(shè)計

通常，DAU組件安裝在印刷電路板（PCB）上。為了獲得最佳操作，應(yīng)遵循幾個熱設(shè)計決策：在高層次上，重要的是要確保熱量可以快速從組件中傳遞出去，并且熱量不會集中在任何一個地方。

飛行測試 DAU 通常由底盤和模塊組成。重要的是，有一種很好的方法可以將熱量從模塊中移開，以幫助機(jī)箱將熱量從組件中移開。這樣，機(jī)箱本身充當(dāng)散熱器。此功能的有效性取決于幾個因素，例如機(jī)箱的構(gòu)造方式、機(jī)箱與其模塊之間的熱接觸質(zhì)量以及機(jī)箱中的電源使用方式。構(gòu)建機(jī)箱通常有兩種方法，要么使用堅固的底盤和單獨的模塊，要么使用“面包片”設(shè)計。

堅固的機(jī)箱具有可以插入模塊的插槽，類似于將磁盤驅(qū)動器插入錄像機(jī)。在面包片方法中，沒有單獨的底盤。相反，機(jī)箱由采集卡本身構(gòu)成，將多個采集卡連接在一起，并通過鎖定機(jī)制固定它們。

堅固的底盤的優(yōu)點是它是一大塊連續(xù)的金屬，使熱量能夠迅速從較熱的區(qū)域流向較冷的區(qū)域。實心機(jī)箱的缺點是插入和拆卸模塊使得難以在模塊和機(jī)箱之間建立完美的熱接觸。面包片方法的優(yōu)點是能夠?qū)CB非常緊密地連接到機(jī)箱，因為機(jī)箱是模塊的一部分。這種方法的缺點是很難在模塊之間形成完全導(dǎo)電的密封。

無論選擇哪種底盤設(shè)計，它都可能由金屬制成，通常是鋁或鋼。鋼比鋁更便宜、更堅固，因此底盤壁可以更薄一點，材料成本也會更低。然而，鋁似乎是更好的選擇，因為它是一種明顯更好的導(dǎo)熱體（k = 236 與 15），并且更輕，更容易銑削。在實踐中，成品鋼制底盤幾乎沒有成本節(jié)省，因為任何尺寸差異都是微不足道的，鋁的優(yōu)越熱性能有助于將熱量從底盤轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中。

還有一些設(shè)計決策可以幫助DAU更好地使用電源。DAU通常為模塊提供多個電壓，因為模塊操作、傳感器激勵等有不同的電壓要求。為了避免在黑色或棕色熄火時丟失數(shù)據(jù)，電源中使用了電源保持電容器。降低電源電壓可減少所需的保持電容器數(shù)量。這減少了消耗的功率和產(chǎn)生的熱量，以及電源尺寸。相反，可以在模塊上執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換。

將熱量帶走

Axon DAU是如何設(shè)計功耗和熱效率高的緊湊型數(shù)據(jù)采集單元的一個例子。雙側(cè)軌系統(tǒng)用于將 Axon 模塊與機(jī)箱緊密耦合，同時仍然可以無損地拆卸模塊。堅固的底盤，由一塊鋁銑削而成，最大限度地減少了可能導(dǎo)致熱點的任何間隙;鋁的出色熱性能可確?？焖賯鳠?，無需更昂貴或更奇特的材料。機(jī)箱的作用類似于連接到 PC 中微處理器的散熱器。在機(jī)箱內(nèi)，使用單個電壓軌允許使用單個保持電容器。這消耗的功率更少，確保DAU能夠有效處理常見的電源電壓變化或中斷。

［圖3 |這種設(shè)計最大限度地提高了每個階段的散熱，以保持組件足夠冷卻，而無需外部散熱器或強(qiáng)制通風(fēng)。

對于模塊，使用大接地層來幫助將熱量吸入模塊側(cè)軌。對于傳統(tǒng)的DAU，DAU可以縮小到容納單個模塊的尺寸是有限制的;機(jī)箱還必須容納發(fā)射器卡（通過以太網(wǎng)、IRIG 106 第 4 章 PCM 或 IRIG-106 第 7 章發(fā)送數(shù)據(jù)）和電源。

Axon DAU背板為每個提供數(shù)據(jù)和電源線的模塊使用串行點對點鏈路，這為特別狹窄或炎熱的位置（如機(jī)翼或發(fā)動機(jī)短艙）提供了獨特的解決方案：Axonite底盤，它容納了一個模塊。軸突石通過串行背板使用單根電線連接到軸突機(jī)箱。對于Axon機(jī)箱，該模塊似乎是內(nèi)部集成的，但可以位于最遠(yuǎn)10米外的專用Axonite機(jī)箱中。Axon DAU 將用于熱監(jiān)控的 I2C 溫度傳感器集成到所有部件中，包括頂塊、模塊、電源單元等。傳感器提供對熱元素如何形成的洞察，這對于故障排除和數(shù)據(jù)完整性保證非常有用。

審核編輯：郭婷