Совместное решение задач обеспечения теплового режима работы и электромагнитной совместимости при проектировании электронных средств

Судариков А. В., Ромащенко М.А.

Воронежский государственный технический университет

СОВМЕСТНОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Интенсивность развития полупроводниковой техники за последние десятилетия полностью соответствует закономерности выявленной в 60-х годах 20 века Гордоном Муром, впоследствии названной зако-номМура, согласно которому развитие полупроводниковой техники происходит по экспоненте. Вследствие чего происходит постоянное увеличение мощности вычислительной техники, возрастание тактовых частот, снижение амплитуд рабочих сигналов цифровых элементов, увеличение потоков обрабатываемой и передаваемой информации, уменьшении размеров электронных устройств. Что в свою очередь приводит к необходимости решения задач отвода тепла от мощных электронных компонентов и обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС)электронных средств (ЭС) сконцентрированных в малом объеме. Эти задачи зачастую требуют диаметрально противоположных конструктивных решений. Например, для уменьшения уровня излучаемых помех одним из конструктивных решений является экранирование, что подразумевает под собой локализацию источника излучений сплошным металлическим экраном, а с точки зрения обеспечения теплового режима необходимо обеспечить вентиляцию устройства, т. е. изготовление отверстий в корпусе, что приведет к ухудшению свойств экрана.

С целью решения задачи обеспечения ЭМС используют меры по снижению влияния электромагнитных полей (ЭМП) на чувствительные элементы. На внутриаппаратурном и внутрисистемном уровне обеспечения ЭМС данные меры относятся в основном конструкторско-технологическим и схемотехническим мето-дам.При практической реализации методовобеспечения ЭМС грань между конструкторско-технологическими и схемотехническими можно провести лишь условную.Так, например, фильтрация может осуществлять вводом дополнительных элементов в конструкцию устройства, что будет относиться к схемотехническим методам, а может заключаться в использование материалов поглощающих электромагнитные волны, что будет уже относиться к конструкторско-технологическим методам обеспечения ЭМС. К схемотехническим методам решения проблемы ЭМС традиционно относят - фильтрацию, стабилизацию, балансировку , заземление и рациональный монтаж. К конструкторским методам - экранирование , заземление , рациональная компоновка блоков разного уровня, выбор конструктивных материалов, слабо реагирующих на электромагнитные поля, а также решения задач связанных с отводомтепла от нагревающихся элементов итермостатирование термочувствительных элементов[1,2,7].

Наибольшеепересечение мер обеспечения тепловых режимов и обеспечения электромагнитной совместимости возникает при экранировании и фильтрации ЭПМ. Экран может представляет собой внешний кожух аппаратуры и должен обеспечивать тепловой режим, пыле- и влагозащиту, устойчивость к механическим воздействиям вибрации, ударов и соответственно ослаблять воздействие внешних ЭМП, а также локализовать электромагнитное излучение экранируемого устройства. В данном случае экран определяет внешний вид, общую компоновку устройства и условия эксплуатации. В случае поэлементного экранирования требования к экрану обусловлены экранируемым элементом и определяющими требованиями здесь является эффективность экранирования и вносимые экраном искажения в параметры экранируемого элемента [3,4] .

Одним из решений проблемы отвода тепла при экранированном корпусе является использование перфорации или сетчатых материалов. Снижение эффективности экранирования зависит главным образом от максимального размера отверстия. Коэффициент затухания B существенно зависит от степени перфорации, выражаемой как отношение суммарной площади отверстий к площади перфорированной поверхности

При заданной степени перфорации коэффициент затухания уменьшается при увеличении радиуса отверстий, иными словами множество мелких отверстий предпочтительнее, чем несколько больших отверстий. На практике для экранирования широко применяются сетчатые материалы. Это объясняется легкостью сеток, а также сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны при сборке, обеспечивают достаточный теплообмен и светопроницаемы. Экранирующие свойства сеток проявляются главным образом в отражении ЭМ волны от их поверхности. Определяющими параметрами сетки в области экранирования являются: шаг сетки s, радиус проволоки r и удельная проводимость материала сетки.

Формула точно описывает эффективность экранирования для редких сеток (для которых справедливо соотношение s/r>8) , в случае густых сеток (s/r<8) расчеты оказываются несколько завышенными по

сравнению с результатами измерений.

Если перфорирование или использование сетчатых материалов не удовлетворяет условиям эффективности экранирования, отверстия выполняют по принципу предельных волноводов, т. е. при определенных соотношениях между размерами волновода и длинной волны поступающей на его вход, практически исключается возможность распространения по волноводу электромагнитных колебаний. Конструктивно данные волноводы выполняются путем вытяжки отверстий, наращивания отверстий патрубками или использованием так называемых сотовых решеток, которые могут быть как квадратного, так и круглого сечения [5,6] .

В случае особо жестких требований к ЭМСи не возможности использования перфорации или сетчатых материалов отвод тепла из экранируемой области может осуществляться путем выполнения одной или нескольких сторон экрана виде радиатора. Но в данном случае следует обеспечить тепловой контакт между корпусом нагревающегося элемента и корпусом экрана-радиатора. В некоторых случаях применяют заливку эффективными теплоотводящими материалами.

Решение проблем обеспечения тепловых режимов и электромагнитной совместимости в современных САПР решается по отдельности, из проведенного выше обзора проблематики и предложенных решений, следует разработать методику по рассмотрению данных проблем в единой связке при сквозном проектировании электронных средств. Так как теоретические усилия принятые для определения эффекта, который вносят неоднородности на эффективность экранирования, практически не доступны для приемлемой точности расчета, за исключением нескольких аналитических выражений для сферических экранов, основанных на фундаментальной теории. Таким образом для частных случаев следует использовать программные средства или эмпирические формулы общего вида.

ЛИТЕРАТУРА

1. Т.Уилльямс ЭМС для систем и установок / Уилльямс Т., Амстронг- М.: Издательский дом «Технологии», 2004 г. - 508 с.

2. Князев А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д.Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров.- М.: Радио и связь,

1989. - 224с.

3. Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры. -М.: Сов.радио, 1979.- 216с.

4. Шапиро Д.Н. Электромагнитное экранирование. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект»,

2010.- 120 с.

5. А.Шваб Электромагнитная совместимость: Пер.с нем. В.Д.Мазина и С.А. Спектора / под

ред.Кужекина. М.: Энергоатомиздат, 1995. 480 с.

6. Винников В. В. Основы проектирования РЭС. Электромагнитная совместимость и конструирование экранов.- СПб: СЗТУ, 2006.-164 с.

7. Дульнев Г.Н. Методы расчета теплового режима приборов: научное издание/ Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов - М.: Радио и связь, 1990. - 312с.