Brevet FR2929482A1 — publié le 20091002

Calculateur à l'agencement simplifié, destiné à l'aéronautique. La présente invention appartient au domaine des calculateurs de dimensions réduites, du type calculateurs ARINC 600 principalement de dimensions 3 MCU. Les calculateurs ARINC 600 répondent à un standard de format d'équipements aéronautiques du même nom, créé par la société ARINC (pour � Aeronautical Radio, INCorporated � selon l'acronyme anglais). MCU (pour � Modular Component Unit � selon l'acronyme anglais) constitue une largeur standard pour les équipements du type � rack �, largement utilisée dans l'industrie aéronautique notamment. Cette largeur peut aller de 1 à 12 MCU. L'état de l'art de la génération actuelle des calculateurs consiste généralement, pour un module ARINC 600 de toutes dimensions, à contenir N cartes, et plus particulièrement trois ou quatre cartes, enfichées perpendiculairement à un circuit imprimé � fond de panier � solidaire de la connectique située en face arrière du calculateur. Aujourd'hui, dans le cas d'un calculateur de 3 MCU, un tel ensemble présente une surface développée d'accueil de composants électroniques d'environ 28 décimètres carrés, soit quatre cartes comportant des composants sur chacune de leurs faces. Cela représente une puissance à dissiper d'environ 45 watts, soit 15 Watts par MCU en puissance volumique et environ 1,6 watt par décimètre carré avec une limitation supplémentaire de puissance ponctuelle locale maximale d'environ 5 à 7 watts. Par ailleurs, certaines évolutions récentes en matière de capacité d'intégration et de puissance de traitement numérique permettent à la fois de réduire la surface de carte nécessaire pour l'électronique tout en continuant à augmenter la capacité de traitement. D'un autre côté, ces évolutions amènent à devoir dissiper plus de puissance, dans un facteur de 3 à 4 en volume et jusqu'à plus de 5 à 8 en ponctuel local au sein des futurs calculateurs et, a fortiori, entrainent une augmentation de la puissance surfacique des cartes électroniques et de la puissance volumique des calculateurs de l'ordre de 3 à 4. Dans ce contexte, la problématique soulevée par la présente demande de brevet réside dans l'optimisation de l'utilisation du volume des calculateurs en prenant en compte les évolutions mentionnées ci-dessus. Ainsi, les calculateurs actuels présentent d'une part le défaut de ne pas permettre d'optimiser la surface disponible pour les composants électroniques en fonction du volume du calculateur. Le rapport entre le volume du calculateur et le volume disponible pour la dissipation de puissance au coeur dudit calculateur n'est pas non plus optimisé. D'autre part, ils imposent des hauteurs limitées pour des éléments d'échange thermique tels que des radiateurs, du fait que les cartes doivent glisser l'une part rapport à l'autre sur un plan parallèle pour leur insertion ou leur extraction du calculateur. L'idée de base de l'invention est donc d'exploiter les évolutions réalisées dans le domaine de l'électronique pour concevoir des calculateurs plus efficaces, notamment grâce à un agencement plus judicieux. L'invention recherche ainsi une utilisation maximale des volumes en trois dimensions afin de permettre l'introduction de radiateurs de hauteurs conséquentes tout en conservant les aspects relatifs aux cartes démontables indépendamment. A cet effet, l'invention a pour objet un calculateur comportant une structure mécanique, métallique ou composite, comprenant un circuit imprimé � fond de panier � situé à l'intérieur de la structure mécanique, et disposant d'au moins un connecteur destiné au branchement d'au moins une carte électronique également présente dans le calculateur, caractérisé en ce que le connecteur comprend des moyens pour assurer le branchement de la carte électronique selon un plan de connexion parallèle au circuit imprimé � fond de panier � du calculateur, ledit connecteur étant orienté vers l'extérieur du calculateur par rapport au circuit imprimé � fond de panier � et en ce que ladite carte électronique présente une connectique appropriée lui permettant d'être branchée sur le connecteur du circuit imprimé � fond de panier � selon le plan de connexion, celui-ci étant orthogonal à ladite carte électronique. Dans un exemple d'application de l'invention, le circuit imprimé � fond de panier � comporte deux connecteurs orientés vers l'extérieur du calculateur par rapport au circuit imprimé � fond de panier � et permettant le branchement de deux cartes électroniques venant fermer le calculateur et la structure mécanique à la manière de deux flasques. Avantageusement, les faces du dessus et du dessous du 10 calculateur comprennent des orifices de ventilation. Avantageusement, la carte électronique est fixée sur un épaulement solidaire de la structure mécanique. Avantageusement, une surface de contact importante existe entre la carte électronique et la structure mécanique, assurant un couplage 15 thermique efficace entre ladite carte électronique et ladite structure mécanique. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, deux capots scellent l'ensemble en refermant le calculateur au niveau des faces latérales. 20 Avantageusement, une interface d'outillage peut s'insérer entre le connecteur du circuit imprimé � fond de panier � et la carte électronique, permettant l'ouverture du calculateur � en papillon �. Avantageusement, des éléments de refroidissement de la carte 25 électronique peuvent occuper le volume disponible au centre du calculateur. Par exemple, les éléments de refroidissement de la carte électronique sont des radiateurs, pouvant être agrémentés d'éléments de brassage d'air de type ventilateurs, dans le même volume, afin d'améliorer l'efficacité desdits radiateurs. 30 Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, les éléments de refroidissement de la carte électronique sont des caloducs reliés à un échangeur thermique situé en face avant. Avantageusement, le calculateur selon l'invention peut comporter 35 en outre une carte d'alimentation électrique placée au coeur du calculateur et permettant l'alimentation en tension des cartes électroniques, ladite tension ne passant qu'une seule fois par le circuit imprimé � fond de panier � permettant un câblage électrique réduit. Dans l'exemple de mise en oeuvre le plus courant, le calculateur 5 selon l'invention est de forme parallélépipédique, comprenant des faces avant, arrière, du dessus, du dessous et deux faces latérales. De préférence, le calculateur selon l'invention présente des dimensions réduites en largeur, compatible d'un arrangement avec insertion de carte par le côté, présentant, à titre d'exemple, une largeur d'environ 9 10 centimètres dans le cas d'un calculateur de 3 MCU. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui 15 représentent : • la figure 1 : la coupe schématique d'un calculateur ARINC 600 de dimensions 3 MCU selon l'état de l'art ; • la figure 2 : la coupe schématique d'un calculateur de type ARINC 600 selon l'invention ; 20 • la figure 3 : la vue éclatée d'un calculateur de type ARINC 600 selon l'invention ; • la figure 4: le schéma de l'interface d'outillage permettant l'ouverture � en papillon � du calculateur selon l'invention ; • la figure 5: le schéma d'un calculateur selon l'invention 25 comportant une carte d'alimentation électrique judicieusement positionnée. La figure 1 présente un schéma correspondant à l'état de l'art d'un 30 calculateur de type ARINC 600 de dimensions 3 MCU. Celui-ci comprend une structure mécanique 20 dont une des faces, appelée face avant, permet d'accéder aux cartes électroniques B1' 1 à B14. Ces cartes B11 à B14 sont enfichées verticalement sur le circuit imprimé � fond de panier � MB2 ; l'interconnexion s'effectue via les connecteurs C11 à C14 selon, pour 35 chacune des cartes, un plan de connexion confondu ou parallèle au plan des cartes et orthogonal au circuit imprimé � fond de panier � MB2. Pour des raisons pratiques concernant notamment les degrés de liberté nécessaires pour la connectique des quatre cartes électroniques B11 à B14, le circuit imprimé � fond de panier � MB2 repose sur un autre circuit imprimé MB1 par l'intermédiaire de deux connecteurs C21 et C22. Du côté de la face opposée à la face avant, appelée face arrière, le calculateur possède la connectique CO, de type ARINC 600 dans l'exemple, lui permettant de s'interconnecter avec l'extérieur. Chaque carte électronique B11 à B14 présente un espace libre S11 à S14, nécessaire à l'extraction et / ou à l'insertion des cartes, dans lequel peuvent prendre place, par exemple, des radiateurs destinés à dissiper de la puissance à l'intérieur du calculateur. Ces emplacements S11 à S14 sont limités du fait de la nécessité de pouvoir glisser les cartes les unes par rapport aux autres en vue de les insérer ou de les extraire de la structure mécanique 20. Le but de l'invention est d'optimiser l'utilisation du volume de ce type de calculateur à l'aide des progrès de l'électronique permettant de réduire la surface nécessaire aux composants électroniques et d'un agencement judicieux des éléments dudit calculateur. La figure 2 illustre l'agencement proposé par l'invention pour des calculateurs de dimensions réduites, du type ARINC 600. Celui-ci comporte une structure mécanique 10, présentant une forme de � ceinture �, et qui sera détaillée sur la figure 3. Dans cette configuration, les connecteurs Cl et C2 du circuit imprimé � fond de panier � MB permettent d'enficher deux cartes électroniques BI et B2 qui viennent � refermer � le calculateur à la manière de deux flasques. La connexion se fait dans un plan CX orthogonal aux cartes électroniques B1-B2 et parallèle au circuit imprimé � fond de panier �. En comparaison avec les cartes électroniques B11 à B14 de la figure 1, les cartes BI et B2 présentent une surface utile bien supérieure : la surface située au niveau des connecteurs Cl et C2 et, de part et d'autre de chacune des cartes, au niveau des zones S3 et S4 représente un gain important permettant d'implanter plus de composants électroniques sur chaque carte électronique B1 et B2. Vus par ailleurs les progrès réalisés en électronique dans le sens d'une miniaturisation des composants et d'une augmentation de leurs capacités de traitement, il devient possible, pour ce type de calculateur, de réaliser l'ensemble des fonctions électroniques à l'aide de seulement deux cartes. L'avantage immédiat réside dans le fait qu'il n'est plus nécessaire d'avoir deux étages de circuits imprirnés � fonds de panier �, MB1 et MB2 sur la figure 1. Ici, l'unique circuit imprimé � fond de panier � MB du calculateur est donc relié à la connectique CO, de type ARINC 600 par exemple, lui permettant de communiquer avec l'extérieur. Cependant, les développements de l'électronique ont aussi tendance à faire augmenter la puissance à dissiper par unité de volume pour les calculateurs et par unité de surface pour les cartes électroniques. Dans le calculateur selon l'invention présenté en figure 2, on constate que les zones disponibles pour chacune des cartes BI et B2 ont été augmentées de façon importante. La carte électronique BI présente les zones disponibles SI et S3 tandis que la carte B2 présente les zones disponibles S2 et S4. Ces volumes importants dégagés au coeur du calculateur peuvent être avantageusement exploitées pour le refroidissement des cartes électroniques BI et B2, comme cela sera détaillé plus loin. D'autre part du fait de l'insertion et de l'extraction latérales de ces cartes, il est possible en cas de besoin ponctuel de moduler localement la répartition en épaisseur des zones S1 et S2, pouvant aller en valeur extrême ponctuelle et locale, jusqu'à annuler une des deux zones et prendre la totalité de l'épaisseur sur l'autre. La figure 3 représente une vue éclatée d'un calculateur, tel qu'un calculateur de type ARINC 600, agencé selon l'invention. Avantageusement, la structure mécanique 10 présente une forme de � ceinture �, avec une face avant F, une face arrière Ba, une face du dessus T, une face du dessous Bo et deux faces latérales qui peuvent être fermées par les capots LI et L2. Ces capots LI et L2 ont vocation à venir sceller le calculateur ; ils sont démontables, de manière à permettre un accès aisé aux cartes électroniques BI et B2. Des faces peuvent comporter des orifices favorisant la ventilation, comme par exemple les faces du dessus T et du dessous Bo qui présentent des orifices de ventilation, respectivement V1 et V2. Le circuit imprimé � fond de panier � MB, comportant les connecteurs Cl et C2 est situé du côté de la face arrière Ba. Les connecteurs Cl et C2 sont orientés vers l'extérieur, c'est-à-dire vers le capot LI pour le connecteur Cl et vers le capot L2 pour le connecteur C2. Le branchement de la carte électronique BI sur le connecteur Cl du circuit imprimé � fond de panier � MB se fait donc dans un plan CX parallèle audit circuit imprimé � fond de panier � MB et orthogonal à ladite carte électronique BI. Il en va de même pour la carte électronique B2 sur le connecteur C2. 1 o De cette façon, comme le montrent les figures 2 et 3, la surface d'accueil de composants électroniques est, pour chacune des cartes, quasiment égale à deux fois la surface latérale du calculateur, moins uniquement la surface du connecteur Cl ou C2. Pour un calculateur du type ARINC 600, le gain est d'au moins 80 centimètres carrés par carte. 15 De plus, alors que dans l'état de l'art les cartes électroniques, B11 à B14 sur la figure 1, sont généralement maintenues en place par de simples glissières, les cartes électroniques B1 et B2 peuvent ici avantageusement reposer et être fixées directement sur le cadre de la structure mécanique 10, celui-ci comportant de préférence un épaulement favorisant l'ajustement 20 desdites cartes électroniques BI et B2. De ce fait, on optimise les échanges thermiques entre les cartes électroniques BI et B2 et la structure mécanique 10, ce qui facilite la régulation de la température au sein du calculateur. De plus, on s'affranchit d'une grande partie des problèmes liés au phénomène de � fretting �, terme anglais signifiant la corrosion d'usure due aux 25 mouvements relatifs des connectiques, du fait du maintien en place des cartes électroniques B11 à B14 par contact direct sur une vaste surface de la structure mécanique 10 du calculateur. Par ailleurs, on a montré lors de la description de la figure 2 que les espaces disponibles au coeur du calculateur étaient très vastes, en 30 particulier les espaces SI et S2. Sur la figure 3, on remarque des radiateurs largement dimensionnés, R1 pour la carte B1 et R2 pour la carte B2, destinés au refroidissement desdites cartes électroniques B1 et B2. La comparaison des espaces S11 à S14 de la figure 1 et S1 et S2 de la figure 2 montre bien l'augmentation des possibilités de dimensionnement des 35 radiateurs voués à la régulation de la température des cartes électroniques BI et B2 dans le calculateur selon l'invention, ainsi que la souplesse sur la répartition locale de l'épaisseur de chacun des volumes SI et S2, comme expliqué précédemment. De même, toujours grâce à ce vaste volume disponible SI et S2, on peut opter pour des caloducs reliés à un échangeur thermique situé en face avant F. De plus, de part et d'autre de chaque carte BI et B2, de nouveaux espaces S3 et S4 susceptibles d'accueillir des composants électroniques apparaissent. En résumé, on dispose de marges de manoeuvre et de souplesse volumique en trois dimensions bien plus importantes que dans l'état de l'art pour tout ce qui concerne la dissipation de puissance et la régulation de la température à l'intérieur du calculateur selon l'invention car on dispose de plus de volumes disponibles au coeur du calculateur. La figure 4 présente de petits outillages 01 et 02 apportant un avantage supplémentaire à l'invention. Ces outillages 01 et 02 comprennent d'un côté une connectique mâle leur permettant de se brancher sur les connecteurs Cl et C2 du circuit imprimé � fond de panier � MB. Ils sont coudés, de préférence à 90°, et possèdent des connecteurs C101 et C102 permettant de brancher les cartes électroniques BI et B2 selon des plans de connexions orthogonaux au circuit imprimé � fond de panier � MB, les cartes électroniques BI et B2 se retrouvant parallèles audit circuit imprimé � fond de panier � MB. Cette ouverture, dite � en papillon �, du calculateur facilite l'accès aux cartes électroniques BI et B2 pour toute opération de maintenance. Le schéma de la figure 5 traduit un avantage consécutif de l'invention. L'intérieur d'un calculateur selon l'invention est ici représenté, pour simplifier, sans la structure mécanique 10 des figures 2 et 3. Des données D sont échangées entre l'extérieur et le calculateur via la connectique CO. Les cartes électroniques BI et B2 sont enfichées sur les connecteurs Cl et C2 du circuit imprimé � fond de panier � MB selon des plans de connexions CX parallèles audit circuit imprimé � fond de panier � MB, comme cela a déjà été décrit précédemment. L'alimentation arrive au calculateur sous forme de signal de puissance � pollué � P1. Via le circuit imprimé � fond de panier � MB, elle arrive à la carte électronique BI où elle traverse une série de filtres et protections dans la zone F de la carte électronique B1. La tension électrique est alors typiquement de 28 volts. La puissance aboutit à une carte d'alimentation électrique BA, facile à insérer au coeur du calculateur grâce au volume disponible entre les deux cartes électroniques B1 et B2. Elle y est traitée et transformée. Un signal de puissance � propre � P2 peut alors être acheminé en tant qu'alimentation A des cartes électroniques B1 et B2. La tension est alors typiquement de 3,3 volts. La carte B1 est alimentée par une tension Al, la carte B2 par une tension A2. L'agencement du calculateur selon l'invention facilite grandement le câblage électrique ici décrit. En effet, dans un calculateur selon l'état de l'art, il est nécessaire de faire repasser l'alimentation électrique par le circuit imprimé � fond de panier � MB1 pour alimenter l'ensemble des cartes électroniques B11 à B14, ce qui se traduit par une augmentation de la longueur du câblage électrique, et donc par une augmentation des risques de court-circuit, de parasitage, d'échauffement...etc. En résumé, l'agencement d'un calculateur de dimensions modestes, typiquement 3 MCU, conformément à l'invention présente de nombreux avantages, immédiats ou indirects. En premier lieu, l'invention a pour avantage de permettre une optimisation de l'utilisation du volume des calculateurs permettant une augmentation très significative de la capacité et des limites de la puissance dissipée volumique, surfacique et ponctuelle. La surface d'accueil de composants électroniques par carte est grandement augmentée, le contrôle thermique est facilité et amélioré. De plus, l'utilisation d'outillages complémentaires permettant l'ouverture � en papillon � du calculateur rend plus aisée les opérations de maintenance sur les cartes électroniques. Enfin, l'agencement du calculateur selon l'invention permet de minimiser la longueur du câblage électrique nécessaire à l'alimentation des cartes électroniques depuis une carte d'alimentation électrique placée au coeur du calculateur. Dans certains cas, l'invention permet en outre d'optimiser le flux et la ségrégation des signaux entre signaux d'entrée fortement perturbés et signaux internes sensibles et propres.35 REVENDICATIONS1. Calculateur comportant une structure mécanique (10), métallique ou composite, comprenant un circuit imprimé � fond de panier � (MB) situé à l'intérieur de la structure mécanique (10), et disposant d'au moins un connecteur (C1,C2) destiné au branchement d'au moins une carte électronique (B1,B2) également présente dans le calculateur, caractérisé en ce que le connecteur (C1,C2) comprend des moyens pour assurer le branchement de la carte électronique (B1,B2) selon un plan de connexion (CX) parallèle au circuit imprimé � fond de panier � (MB) du calculateur, ledit connecteur (Cl ,C2) étant orienté vers l'extérieur du calculateur par rapport au circuit imprimé � fond de panier � (MB) et en ce que ladite carte électronique (B1,B2) présente une connectique appropriée lui permettant d'être branchée sur le connecteur (C1,C2) du circuit imprimé � fond de panier � (MB) selon le plan de connexion (CX), celui-ci étant orthogonal à ladite carte électronique (B1,B2). 2. Calculateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit imprimé � fond de panier � comporte deux connecteurs (C1,C2) orientés vers l'extérieur du calculateur par rapport au circuit imprimé � fond de panier � (MB) et permettant le branchement de deux cartes électroniques (B1,B2) venant fermer le calculateur et la structure mécanique (10) à la manière de deux flasques. 3. Calculateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces du dessus (T) et du dessous (Bo) du calculateur comprennent des orifices de ventilation (V1 ,V2). 4. Calculateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la carte électronique (B1,B2) est fixée sur un épaulement solidaire de la structure mécanique (10). 5. Calculateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une surface de contact importante existe entre la carte électronique (B1,B2) et lastructure mécanique (10), assurant un couplage thermique efficace entre ladite carte électronique (B1,B2) et ladite structure mécanique (10). 6. Calculateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux capots (L1,L2) scellent l'ensemble en refermant le calculateur au niveau des faces latérales. 7. Calculateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une interface d'outillage (01,02) pouvant s'insérer entre le connecteur (C1,C2) du circuit imprimé � fond de panier � (MB) et la carte électronique (B1,B2), permettant l'ouverture du calculateur � en papillon �. 8. Calculateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de refroidissement de la carte électronique (B1,B2) occupant le volume disponible au centre du calculateur. 9. Calculateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments de refroidissement de la carte électronique sont des radiateurs (RI,R2), pouvant être agrémentés d'éléments de brassage d'air de type ventilateur, dans le même volume, afin d'améliorer l'efficacité desdits radiateurs. 10. Calculateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments de refroidissement de la carte électronique (BI ,B2) sont des caloducs reliés à un échangeur thermique situé en face avant (F). 11 Calculateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carte d'alimentation électrique (BA) placée au coeur du calculateur et permettant l'alimentation en tension (A,A1,A2) des cartes électroniques (B1,B2), ladite tension (A,A1,A2) ne passant qu'une seule fois par le circuitimprimé � fond de panier � (MB) permettant un câblage électrique réduit. 12. Calculateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est de forme parallélépipédique, comprenant des faces avant (F), arrière (Ba), du dessus (T), du dessous (Bo) et deux faces latérales. 13. Calculateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il ~o présente des dimensions réduites en largeur, compatible d'un arrangement avec insertion de carte par le côté, présentant, à titre d'exemple, une largeur d'environ 9 centimètres dans le cas d'un calculateur de 3 MCU..