热优化数据采集单元的设计

飞行测试仪器（FTI）数据采集系统（DAS）使用分布在整个飞机上的数据采集单元（DAU），通常在狭小的空间内，这推动了对小型底盘的需求。与此同时，对更高DAU性能的需求正在上升，导致更多的发热组件更紧密地封装在一起。由于机箱充当内部组件的散热器，因此较小的机箱提供较少的金属来从组件中吸取热量。

为了正确理解飞行测试仪器（FTI）测量的准确性，设计人员需要了解电子设备温度的测量精度。预计在更极端温度下运行的电子设备将在一定范围内进行测试和认证（对于坚固的航空航天电子设备，通常为 -40 °C 至 85 °C）。因此，最好检查制造商声称的准确性的详细信息，因为引用的最佳情况规范可能与实际条件下的性能不匹配。

热量也会老化硬件。即使系统按照目标规格运行，如果它们运行得很热，其有效寿命也会缩短。近似估计是，温度升高10°C会使组分的使用寿命减半（通过阿伦尼乌斯方程，反应速率的温度依赖性公式）。实际上，虽然系统故障比组件的使用寿命更复杂，但它仍然很重要，尤其是在涉及高温时。应考虑有效寿命，因为从长远来看，如果物品需要更频繁的更换，较低的初始数据采集单元 （DAU） 成本最终可能会更昂贵。

飞行测试仪器中的热量增加

由于DAU机箱充当内部组件的散热器，因此较小的机箱意味着更少的金属将热量从组件中带走。这种情况因通道密度较高的趋势而更加复杂。更重要的是，吞吐量和通道数的增加需要将更多功率吸入机箱，从而产生更多的热量。如今，许多飞机在机身中使用复合材料，其导热性明显低于金属。例如，玻璃纤维的导热系数 （k） 为 ~ 0.04 vs. 铝的 236（以 SI 单位瓦特/米开尔文 （W·m−1·K−1）在0°C）。这意味着DAU无法像以前那样有效地使用传导冷却;K值越低，材料导热越差。

［表1 |DAU和飞机中使用的一些常见材料的导热系数。

FTI 系统中的散热

现有FTI系统中使用哪种散热方法通常取决于安装的年龄和飞机的大小。例如，较旧的DAU往往相对较大，并且在主要由金属制成的飞机中用螺栓固定在金属上，这使得DAU和（假设设计良好）从DAU中的组件到更大的金属底盘具有良好的传导冷却。也可能有一些开放空间可以实现体面的对流冷却。

［图1 |DAU散热通常使用传导，对流和辐射来实现。

一些DAU放置在使用被动或强制风冷的机架中（通常仅在大型飞机中提供）。这些受益于良好的对流冷却以及机架中的一些传导。位于狭小空间（有时位于复合材料结构上）的小型底盘的趋势使得DAU组件的散热变得越来越困难。这一现实使得正确理解和实施DAU中的良好热设计决策以满足当前和未来的FTI DAU要求至关重要。

最佳散热设计

通常，DAU组件安装在印刷电路板（PCB）上。为了获得最佳操作，应遵循几个热设计决策：在高层次上，重要的是要确保热量可以快速从组件中传递出去，并且热量不会集中在任何一个地方。

飞行测试 DAU 通常由底盘和模块组成。重要的是，有一种很好的方法可以将热量从模块中移开，以帮助机箱将热量从组件中移开。这样，机箱本身充当散热器。此功能的有效性取决于几个因素，例如机箱的构造方式、机箱与其模块之间的热接触质量以及机箱中的电源使用方式。构建机箱通常有两种方法，要么使用坚固的底盘和单独的模块，要么使用“面包片”设计。

坚固的机箱具有可以插入模块的插槽，类似于将磁盘驱动器插入录像机。在面包片方法中，没有单独的底盘。相反，机箱由采集卡本身构成，将多个采集卡连接在一起，并通过锁定机制固定它们。

坚固的底盘的优点是它是一大块连续的金属，使热量能够迅速从较热的区域流向较冷的区域。实心机箱的缺点是插入和拆卸模块使得难以在模块和机箱之间建立完美的热接触。面包片方法的优点是能够将PCB非常紧密地连接到机箱，因为机箱是模块的一部分。这种方法的缺点是很难在模块之间形成完全导电的密封。

无论选择哪种底盘设计，它都可能由金属制成，通常是铝或钢。钢比铝更便宜、更坚固，因此底盘壁可以更薄一点，材料成本也会更低。然而，铝似乎是更好的选择，因为它是一种明显更好的导热体（k = 236 与 15），并且更轻，更容易铣削。在实践中，成品钢制底盘几乎没有成本节省，因为任何尺寸差异都是微不足道的，铝的优越热性能有助于将热量从底盘转移到周围环境中。

还有一些设计决策可以帮助DAU更好地使用电源。DAU通常为模块提供多个电压，因为模块操作、传感器激励等有不同的电压要求。为了避免在黑色或棕色熄火时丢失数据，电源中使用了电源保持电容器。降低电源电压可减少所需的保持电容器数量。这减少了消耗的功率和产生的热量，以及电源尺寸。相反，可以在模块上执行电压转换。

将热量带走

Axon DAU是如何设计功耗和热效率高的紧凑型数据采集单元的一个例子。双侧轨系统用于将 Axon 模块与机箱紧密耦合，同时仍然可以无损地拆卸模块。坚固的底盘，由一块铝铣削而成，最大限度地减少了可能导致热点的任何间隙;铝的出色热性能可确保快速传热，无需更昂贵或更奇特的材料。机箱的作用类似于连接到 PC 中微处理器的散热器。在机箱内，使用单个电压轨允许使用单个保持电容器。这消耗的功率更少，确保DAU能够有效处理常见的电源电压变化或中断。

［图3 |这种设计最大限度地提高了每个阶段的散热，以保持组件足够冷却，而无需外部散热器或强制通风。

对于模块，使用大接地层来帮助将热量吸入模块侧轨。对于传统的DAU，DAU可以缩小到容纳单个模块的尺寸是有限制的;机箱还必须容纳发射器卡（通过以太网、IRIG 106 第 4 章 PCM 或 IRIG-106 第 7 章发送数据）和电源。

Axon DAU背板为每个提供数据和电源线的模块使用串行点对点链路，这为特别狭窄或炎热的位置（如机翼或发动机短舱）提供了独特的解决方案：Axonite底盘，它容纳了一个模块。轴突石通过串行背板使用单根电线连接到轴突机箱。对于Axon机箱，该模块似乎是内部集成的，但可以位于最远10米外的专用Axonite机箱中。Axon DAU 将用于热监控的 I2C 温度传感器集成到所有部件中，包括顶块、模块、电源单元等。传感器提供对热元素如何形成的洞察，这对于故障排除和数据完整性保证非常有用。

审核编辑：郭婷