CC BY
301
УДК 681.3
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
БЛОКОВ РЭС
Игорь Сергеевич Бобылкин e-mail: bobylkin@rambler.ru
394026, Воронеж, ул. Московский пр-т, д.14, тел. (473) 243-77-06
Статья посвящается разработки основных направлений повышения эффективности конструкторского проектирования РЭС на основе оптимизации тепловых характеристик узлов и блоков функционирования РЭС.
Ключевые слова: радиоэлектронные средства, тепловой режим,
моделирование, диагностика.
К настоящему времени такие основные направления развития радиоэлектронных средств (РЭС), в том числе применяемых в сфере связи и телекоммуникаций, как повсеместный переход на цифровые методов обработки сигналов и постоянное повышение производительности цифровых устройств с высоким энергопотреблением, использование систем на кристалле, миниатюризации конструкций и увеличение плотности компоновки на всех уровнях конструктивной иерархии; расширение области использования и эксплуатации современных радиоэлектронных устройств в различных, в том числе весьма жестких, внешних условиях привели к резкому росту удельных тепловых потоков и усилению тепловых воздействий, что поставило задачи обеспечения тепловых режимов в число наиболее важных в процессе проектирования РЭС.
Поэтому обязательной частью процесса проектирования современных устройств и комплексов связи и телекоммуникаций является тепловое проектирование РЭС. Под тепловым проектированием понимается часть процесса проектирования конструкций РЭС, в которой решаются задачи обеспечения нормального теплового режима устройств и комплексов. Тепловое проектирование
делится на этапы, соответствующие делению конструкции РЭС на иерархические уровни.
Широко используемый подход к организации теплового проектирования РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечение теплового режима в основном на этапе конструкторско-топологического проектирования. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляющихся после решения какой-либо задачи конструкторского синтеза (размещение, компоновка, выбор и разработка конструкций блоков, стоек и т.д.), если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции.
Целью на каждом этапе является обеспечение требований к тепловым режимам конструктивных единиц (модулей), являющихся основным элементами для построения конструкции данного уровня иерархии: ИС и полупроводниковых приборов при проектировании узлов на печатных платах, плат - на уровне блоков, блоков в стойке и т.д. На всех этапах решаются как задачи синтеза, так и анализа. Для обеспечения нормального теплового режима в РЭС применяют различные системы охлаждения и обеспечения теплового режима (СО), представляющие комплекс специальных теплоотводящих устройств и конструктивных элементов РЭС, предназначенных и используемых для направленной передачи тепловых потоков от тепловыделяющих компонентов (нагретых зон), интенсификации процессов теплообмена, отвода тепловой энергии в окружающую среду. По базовому процессу теплопередачи, используемому в конкретной системе: все системы охлаждения РЭС разделяются на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные, радиационные, комбинированные, специальные.
В качестве базовых тепловых моделей, которые применимы уже на начальный этапах проектирование были выбраны модели “корпус - нагретая зона” Исходными данными для оценки и прогнозирования тепловых режимов с их помощью являются: габаритные размеры конструкции, объемный коэффициент заполнения, выделяемая мощность расход воздуха, допустимый перегрев нагретой зоны. Методика моделирования основана на использовании удельных величин влияющих на тепловой режим удельный поверхностный тепловой поток нагретой зоны и удельный объемный расход воздуха на один кВт мощности [3].
Оценка перегревов нагретой зоны и воздуха внутри блоков с их помощью осуществляется на основе зависимостей, полученных путем статистической обработки экспериментальных и расчетных результатов [1]. Такой подход позволяет прогнозировать тепловой режим для случаев естественной и принудительной конвекции блоков с шасси и кассетной конструкции с герметичным и не герметичным исполнением. Учет неполноты исходных данных, влияющие на результаты осуществляются путем расчета средних квадратичных отклонений оцениваемых перегревов с учетов параметров конкретных конструкций и видов охлаждения (естественная конвекция, естественная вентиляция, принудительная вентиляция принудительная циркуляция).
На основе используемых математических моделей для решения поставленной задачи были разработаны алгоритмы оценки и прогнозирования тепловых режимов РЭС кассетной конструкции и оценка тепловых режимов РЭС на шасси.
Алгоритм оценки тепловых режимов РЭС кассетной конструкции выполняет следующие этапы, показанные на рисунке 1.
Рисунок 1. Алгоритм оценки тепловых режимов РЭС кассетной конструкции
- блок 1 - ввод начальных данных для расчета. В данном блоке вводятся такие данные как геометрические размеры, количество плат, предельно допустимые температуры внутренних поверхностей и воздуха внутри РЭС, тепловая мощность и ряд других;
- блок 2 - расчет вспомогательных коэффициентов. В данном блоке происходит расчет коэффициента основания формы, коэффициента формы РЭС в
целом, коэффициента заполнения объема, расстояния между платами, удельный объем приходящийся на одну плату по формуле удельного объемного расхода воздуха по формуле;
- блок 3 - расчет удельного теплового потока нагретой зоны. В данном блоке рассчитывается удельный тепловой поток, использую данные рассчитанные в блоке 2 и формулы;
- блок 4 - проверка условий нормального теплового режима при естественной конвекции. В данном блоке с помощью данных полученных в блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при естественной конвекции;
- блок 5 - проверка условий нормального теплового режима при естественной вентиляции. В данном блоке с помощью данных полученных в блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при естественной вентиляции;
- блок 6 - проверка условий нормального теплового режима при принудительной вентиляции. В данном блоке с помощью данных полученных в блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при естественной конвекции;
- блок 7 - анализ результатов моделирования.
Алгоритм оценки тепловых режимов РЭС конструкции на шассе выполняет следующие этапы, показанные на рисунке 2.
- блок 1 - ввод начальных данных для расчета теплового режима одноблочной РЭС. В данном блоке вводятся такие данные как геометрические размеры, предельно допустимые температуры внутренних поверхностей и воздуха внутри РЭС, тепловая мощность и ряд других;
- блок 2 - расчет вспомогательных коэффициентов. В данном блоке происходит расчет коэффициента основания формы, коэффициента формы РЭС в целом, коэффициента заполнения объема, удельного объемного расхода воздуха по формуле, объема РЭС.
- блок 3 - расчет удельного теплового потока нагретой зоны. В данном блоке рассчитывается удельный тепловой поток использую данные рассчитанные в блоке 2 и формулы
- блок 4 - проверка условия герметичности корпуса. В данном блоке в
зависимости от герметичности корпуса выбирается дальнейшая работа алгоритма;
- блок 5 - проверка условий нормального теплового режима при естественной конвекции. В данном блоке с помощью данных полученных в блокеЗ и проверяется условие нормального теплового режима при естественной конвекции;
- блок 6 - проверка условий нормального теплового режима при
принудительной циркуляции. В данном блоке с помощью данных полученных в
Рисунок 2. Алгоритм оценки тепловых режимов РЭС на шасси
блоке 3, блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при принудительной вентиляции;
- блок 7 - проверка условий нормального теплового режима при
принудительной циркуляции с теплообменником. В данном блоке с помощью данных полученных в блоке 3, блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при принудительной вентиляции;
- блок 8 - проверка условий нормального теплового режима при естественной вентиляции. В данном блоке с помощью данных полученных в блоке 3, блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при естественной вентиляции;
- блок 9 - проверка условий нормального теплового режима при
принудительной вентиляции. В данном блоке с помощью данных полученных в блоке 3, блоке 2 и проверяется условие нормального теплового режима при естественной вентиляции;
- блок 10 - результаты моделирования тепловых режимов.
Предложенные алгоритмы реализованы в виде соответствующего ПО,
которые состоит из 4-х модулей Form, Model, Base и Diagnostics. Где Form - модуль для ввода и вывода данных, являющегося стартовым и позволяющем перейти к другим программным модулям, Model - модуль для расчета теплового поля платы и первичной диагностики, Base - модуль создания базы типовых дефектов, Diagnostic - модуль диагностики платы. Алгоритм работы программы, а так же результаты расчётов моделирования теплового портрета печатной платы и диагностики представлены. Программа способна произвести расчет вспомогательных
коэффициентов, произвести проверку условия герметичности корпуса, проверку условий нормального теплового режима при естественной конвекции, проверку условий нормального теплового режима при принудительной циркуляции. Предназначена для использования в процессе сквозного конструкторскотехнологического проектирования РЭС и имеет преимущества перед аналогичными программами- конкурентами:
-простой интерфейс программы
-многофункциональность программы
- меньшие требования к исходным данным
- меньшие затраты времени, что позволяет использовать ее на ранних этапах проектирования, когда нет детальной проработки конструкции.)
Разработанные средства использовались для оценки и прогнозирования тепловых режимов в следующих конструкций (шасси и кассетной конструкции).
Исходными данными для метода оценки и прогноза теплового режима, являются длинна, ширина, и высота. Коэффициент заполнение объема РЭС. Тепловая мощность рассеиваемая РЭС. Далее необходимо выбрать один из двух параметров с которым будет происходить дальнейшая работа - максимально допустимая температура воздуха между центральными платами РЭС или максимально допустимая температура поверхностей центральных плат РЭС. После выбора соответствующего параметра необходимо ввести его числовое значение в градусах кельвина. Далее вводится количество плат и расстояние между платами. После проведения моделирования теплового режима РЭС на шассе и для кассетной конструкции пользователь получает необходимый набор данных для выбора системы охлаждения РЭС, таких как: тип охлаждающей системы, расход воздуха (при использовании принудительного охлаждения), перегрев элементов внутри корпуса, перегрев воздуха внутри корпуса. На основе этих данных может быть выбрана система охлаждения или внесены изменения в конструкцию для соблюдения параметров теплового режима РЭС.
Использование данной методики и программных средств позволяет решить задачу оценки и прогнозирования тепловых характеристик блоков РЭС уже на ранних этапах конструкторского проектирования с учетом ограниченности и неполноты исходных данных, а так же получать значения перегревов и их отклонений, обусловленных особенности реализации конкретных конструкций и систем охлаждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры- Л.: Энергия, 1971. - 248 с.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов- М.: Радио и связь, 1990. - 312с.
3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: учебник / Г.Н. Дульнев - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с.
4. Роткоп Л. Л. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры: учебник для вузов / Л.Л. Роткоп, Ю.Е. Спокойный -М., 1976. - 229 с.
5. Стоян Ю.Г. Оптимизация блоков РЭС по динамике теплового режима и компоновочным характеристикам/ Ю.Г. Стоян, В.П. Путятин, Б.С. Элькин //Проблемы машиностроения.- Харьков, 1983. - 40 с.
METHODS OF ASSESSMENT AND PREDICTION OF THERMAL CHARACTERISTICS OF UNITS RADIO-ELECTRONIC RESOURCES
Igor Sergeevich Bobylkin
The Voronezh state technical university, Russia, Voronezh e-mail: bobylkin@rambler.ru
Paper is dedicated to the development of the main directions of improving the efficiency of design engineering of radio-electronic resources based on optimization of the thermal characteristics of units and blocks the functioning of radio-electronic resources. Keywords: radio electronics, thermal, simulation, diagnostics.
