Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники*

УДК 621.3.032

Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. А. Рыжов

ПОДСИСТЕМА РАСЧЕТА СРЕДСТВ ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ В ИНТЕГРИРОВАННОМ СРЕДЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ*

Аннотация. Предлагается концептуальный вариант подсистемы расчета радиаторов электрорадиоэлементов. Приводится общее описание каждого этапа работы подсистемы. Дано обоснование применения системы в рамках интегрированной среды проектирования электроники.

Ключевые слова: проектирование РЭА, система охлаждения, автоматизация проектирования электронных приборов, теплофизическое проектирование, интегрированная среда проектирования.

Abstract. Proposed conceptual version of the subsystem calculation electroradioelements radiators. A general description of each segment of the subsystem. We justify the use of the system in an integrated design environment electronics.

Keywords: design of CEA, the cooling system, Electronic Design Automation, thermal engineering, integrated design environment.

Введение

Разработка современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), особенно серийных образцов, подразумевает использование систем автоматизированного проектирования (САПР) [1]. Конструктор РЭА, как правило, ориентируется на применение САПР сквозного проектирования. Термин «сквозное проектирование» означает, что разработка проекта в САПР ведется на всех этапах по следующей последовательности:

— создание концептуальной модели изделия;

— разработка электрической принципиальной схемы;

— анализ работы электрической принципиальной схемы;

— коррекция схемы (при необходимости);

— проектирование печатной платы (ПП) или нескольких вариантов IIII одной и той же схемы;

— проектирование корпусных конструкций (на основе базовых несущих конструкций) изделия;

— разработка выходной документации изделия.

Сквозное проектирование подразумевает использование САПР разных классов. Классическая связка для разработчика РЭА - это САПР класса CAE-EDA-CAM. В САПР класса CAE выполняются первоначальные расчеты и моделирование схемы, в EDA разрабатывают проекта схемы и ПП, в CAM разрабатывают конструкции корпуса и его элементов. В последние годы обозначилась тенденция подразумевать под классом EDA и системы классов CAE и CAM, хороший пример этому - последние версии EDA Protel.

* Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Исследование и разработка высоковольтных высокочастотных вакуумных конденсаторов постоянной и переменной емкости нового поколения с высокой температурной стабильностью» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (20092013 гг.)». Гос. контракт № П 1012 от 27 мая 2010 г.

Однако и на сегодня трудно говорить о возможности полной автоматизации всех, в том числе и творческих, этапов конструирования. САПР автоматизировали прежде всего «рутинную» часть проектирования, для ББЛ это перебор и сравнение большого количества вариантов топологии ПП, вариантов конструкций, подготовка конструкторской документации и т.п.

1. Постановка и решение задачи

В системах ББЛ мало внимания уделяется разработке систем охлаждения (СО) теплонагруженных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), что вносит неудобства в процесс сквозного проектирования. Эта проблема остается конструктору, которому приходится заблаговременно позаботиться о выборе СО или радиатора нужного типа и зарезервировать для них место на ПП.

Для решения этого вопроса предлагается на этапе проектирования ПП изделия с помощью встраиваемой в основную САПР подсистемы производить подбор (оптимизацию) конструкции СО или радиатора. Предлагаемый вариант организации такой подсистемы показан на рис. 1.

Рис. 1. Архитектура подсистемы автоматизированного проектирования СО и радиаторов

Функционирование подсистемы обеспечивает базовая САПР. Каждый блок отвечает за один из этапов проектирования СО. Рассмотрим функции каждого этапа:

Блок 1 - Анализ входных данных. Необходим для определения ориентации СО или радиатора на ПП. На этом же этапе производится контроль входных данных, позволяющий обнаружить ошибки, допущенные конструктором при описании места установки и параметров СО.

Блок 2 - Построение расчетной модели. На основе выбранного прототипа строится его расчетная модель. Одновременно на основании входных данных строится расчетная модель среды, окружающей будущий теплоотвод.

Блок 3 - Моделирование теплофизических процессов. На этом этапе производятся численные эксперименты по заданным условиям. Моделируется поведение СО в рабочем режиме.

Блок 4 - Оптимизация модели. Производится сравнение вычисленных значений параметров с предельными, заданными во входных данных. Определяется необходимость дальнейшего улучшения конструкции. Цикл должен повторяться, пока не будет достигнут экстремум критерия оптимальности.

Блок 5 - Формирование результата. Формируются выходные данные результата проектирования СО. Выходные данные должны соответствовать стандартам базовой САПР. Одновременно результат сохраняется в Блоке 7 -базе решений.

Блок 6 - База прототипов конструкций СО и радиаторов. Здесь хранятся базовые прототипы СО и радиаторов.

Блок 7 - База решений. Хранит результаты решенных задач разработки СО и радиаторов. Позволяет пополнять базу прототипов.

2. Иерархический подход при тепловом проектировании

Предложенная концептуальная модель подсистемы (рис. 1) хорошо согласуется с иерархическим подходом при тепловом проектировании РЭА [2], при котором система охлаждения РЭА проектируется последовательно на каждом иерархическом уровне, начиная с самого верхнего (пятого) и заканчивая низшим уровнем (первым).

Пятый уровень. Моделируется температурно-влажностный режим помещения, в котором будет устанавливаться и эксплуатироваться проектируемая РЭА. Формулируются требования, проектируется (выбирается) система охлаждения РЭА в помещении. Исходными данными на этом уровне являются мощности, выделяемые всеми стойками, входящими в состав РЭА, их размещение в помещении, размеры помещения и другие требования, предъявляемые к эксплуатации РЭА в помещении. Полученные в результате моделирования на пятом уровне значения температуры воздушной среды (или жидкостной среды в случае применения кондуктивно-жидкостной системы охлаждения), режимы течения воздуха вокруг стоек, потоки теплоты от стоек в окружающую среду позволяют определить теплофизические параметры (коэффициенты теплоотдачи, температуру стенок стоек), учитывающие взаимодействие стоек электронных изделий (ЭИ) между собой и средой в помещении. Найденные тепловые параметры входят в граничные условия математических моделей задач, решаемых на следующем, более низком, уровне иерархии.

Четвертый уровень. Моделируются и рассчитываются поля температуры и влажности воздушной среды внутри каждой стойки ЭИ, температура и параметры холодоносителя в каналах охлаждения стойки, потоки теплоты от панелей (третий уровень иерархии) к среде внутри стойки, являющейся внешней по отношению к панелям. На этом же уровне проектируется система

охлаждения стойки: проводятся тепловые и гидравлические расчеты каналов охлаждения внутри стойки, термодинамический анализ режимов охлаждения, моделирование, расчет и выбор технических средств, обеспечивающих требуемый тепловой режим стойки. Исходными данными служат полученные на предыдущем (пятом) уровне температура и режим течения среды (воздуха и жидкостей) вокруг стоек, потоки теплоты от стоек в окружающую среду, коэффициенты теплоотдачи и температура стенок стоек ЭИ в среду в помещении; потоки теплоты от панелей в воздушную (жидкостную) среду внутри стойки; конструкция стойки. Полученные на четвертом уровне теплофизические параметры: температуры среды, режимы ее течения около панелей, потоки теплоты от панелей в среду внутри стойки, окружающую среду, коэффициенты теплоотдачи - являются исходными данными для моделирования и проектирования элементов третьего уровня иерархии. Моделирование проводится с учетом теплового взаимодействия панелей друг с другом и со средой внутри стойки.

Третий уровень. Моделируются и рассчитываются поля температуры, скорости и влажности воздушной среды, протекающей внутри панелей, температура жидкостного холодоносителя в каналах охлаждения панелей с учетом теплового взаимодействия электронных модулей (ЭМ) между собой и средой внутри панели, а также теплофизические параметры среды внутри панелей между ЭМ. Одновременно с моделированием проводятся проектирование и конструирование системы охлаждения панелей.

Исходными данными для моделирования являются теплофизические параметры, полученные на предыдущем (четвертом) уровне, а также потоки теплоты ЭМ в панели. Результатами моделирования на третьем уровне являются: коэффициенты теплоотдачи от каждого ЭМ в среду, температура среды возле каждого модуля, потоки теплоты от каждого ЭМ.

Второй уровень. Моделируется тепловой режим каждого ЭМ в панели: температурное поле многослойной печатной платы с установленными на ней интегральными схемами (ИС) и ЭРЭ, температура корпусов ИС и ЭРЭ. Моделирование ведется совместно с проектированием и выбором конструкции теплоотводов от ИС и ЭРЭ, обеспечивающих заданный тепловой режим ЭМ. Исходными данными на втором уровне являются теплофизические параметры, полученные на третьем уровне, размеры платы, количество слоев платы, теплофизические параметры каждого слоя, мощность, потребляемая ИС и ЭРЭ, их расположение на плате, размеры и условия крепления к плате, а также конструкции теплоотводов, используемых для отвода теплоты от ИС и ЭРЭ. Полученные на данном уровне температура корпусов ИС и ЭРЭ, потоки теплоты от ИС и ЭРЭ в среду, в плату и в теплоотводы служат исходными данными для моделирования теплового режима каждой ИС и ЭРЭ в отдельности.

Первый уровень. Моделируется температура на кристалле ИС, по результатам выбирается (или конструируется) корпус ИС, обеспечивающий заданный тепловой режим ИС. Основными исходными данными здесь являются температура корпусов ИС и коэффициенты теплоотдачи от ИС в среду, полученные на предыдущем уровне моделирования, а также тепловые сопротивления 0/с (от р-п-перехода к корпусу ИС) и 0са (от корпуса ИС во внешнюю среду) [3]. Значения тепловых сопротивлений 0/с и 0са могут быть определены либо путем измерений, либо математическим моделированием.

В последнем случае для моделирования тепловых сопротивлений 0/с и 0са необходимо располагать данными о конструкции корпуса ИС и количестве выводов корпуса, теплофизическими характеристиками его материалов, данными по размерам и материалу кристалла ИС, а также по конструкции контактирующего устройства при его наличии.

Температура на кристаллах ИС, получаемая в результате иерархического моделирования на пяти уровнях, является основной характеристикой теплового режима всей РЭА, поскольку именно температура кристаллов ИС определяет надежность, работоспособность, помехоустойчивость, быстродействие и другие эксплуатационные статические и динамические характеристики как отдельной ИС, так и всей РЭА в целом [3].

3. Внедрение предлагаемой подсистемы

Предлагаемая подсистема может использоваться на втором иерархическом уровне, попутно затрагивая первый и третий уровни. Так как второй уровень иерархии при проектировании проходит, как правило, на этапе проектирования печатной платы в интегрированной среде проектирования, то схема взаимодействия подсистемы со средой проектирования может выглядеть так, как показано на рис. 2.

Выходные данные для производства

Выходные данные для подготовки конструкторской документации

Рис. 2. Взаимодействие предлагаемой подсистемы с интегрированной средой проектирования

Заключение

Подобная подсистема позволяет производить оптимизацию конструкций СО и радиаторов на основе моделирования теплофизических процесс-сов [4]. Одновременно происходит накопление результатов готовых решений, данных о разработанных конструкциях, все это делает систему постоянно совершенствующейся и адаптированной к разным условиям.

Список литературы

1. Норенков, И. П. Основы автоматизированного проектирования : учеб. для вузов / И. П. Норенков. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 336 с.

Подсистема

расчета

средств

охлаждения

ЭРЭ

2. Мадера, А. Г. Иерархический подход при тепловом проектировании электронных изделий / А. Г. Мадера // Программные продукты и системы. - 2008. -№ 4. - С. 43-46.

3. Дульнев, Г. Н. Методы расчета теплового режима приборов / Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфенов, А. В. Сигалов. - М. : Радио и связь, 1990. - 240 с.

4. Тартаковский, А. М. Краевые задачи в конструировании радиоэлектронной аппаратуры / А. М. Тартаковский. - Саратов : Изд-во Саратовского ун-та, 1984. -132 с.

Горячев Николай Владимирович аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: ra4foc@yandex.ru

Граб Иван Дмитриевич аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: vangr84@mail.ru

Рыжов Александр Алексеевич аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: Pgufr@mail.ru

Goryachev Nikolay Vladimirovich Postgraduate student,

Penza State University

Grab Ivan Dmitrievich Postgraduate student, Penza State University

Ryzhov Alexander Alexeevich Postgraduate student,

Penza State University

УДК 621.3.032 Горячев, Н. В.

Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. А. Рыжов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 4 (16). - С. 24-29.