CC BY
68
На практищ процеси СЕК завжди е асинхронними, а стiйкiсть ïx сташв досягаеться рiзними способами, наприклад введенням потокiв/процесiв синxронiзацiï. На piBHi абстракт-hoï моделi легше оперувати синхронними сюнченними процесами СЕК.
Висновки i перспективи подальших наукових розвiдок
У данш роботi авторами розглянутий розвиток ЕТ в Укра"ш, недолiки, переваги, сервюи, системи захисту i платежiв через IM. Ключовою частиною статп е розроблення методiв визначення ефективносп СЕК та запропонована математична модель iнформацiйноï СЕК.
Список лiтератури: 1. БерезаА.М. Електронна комерцiя. Кт'в : КНЕУ, 2002. 2. Галщин В.К., Левченко Ф.А. Багатокористувальницьш обчислювальш системи та мереж1. Кшв: КНЕУ, 1997. 3. Джерк Н. Разработка приложений для электронной коммерции. Санкт-Перербург: Питер, 2001. 4. Катренко А.В. Ситемний аналiз об'екпв та проце^ комп'ютеризацiï. Львiв: "Новий свiт - 2000", 2003. С. 286-322. 5. Катренко А. В. Системт аспекти розвитку арх1тектури шдприемства// Вiсник НУ '"Л^вська полггехт-ка". Iнформацiйнi системи та мереж! 2002. .№464. С. 123-131. 6. Козье Девид. Электронная коммерция. М.: Русская Редакция, 1999. 7. Крупник А. Бизнес в интернет. М.: Микроарт, 2002. 8. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. М. : Мир, 1984. 9. Советов Б.Я. Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: ВШ, 1985. 10. Успенский И. Энциклопедия Интернет-бизнеса. Санкт-Петербург: Питер, 2001. 11. Холмогоров В. Интернет - маркетинг. Санкт-Петербург: Питер, 2001. 12. Эймор Дэниел. Электронный бизнес. Эволюция и/или революция. М.: Вильямс, 1999. 13. Берко А.Ю., Висоцька В.А., Чирун Л.В. Алгоритми опрацювання шформацшних ресурав в системах електронно1 комерци // Вюник Нацюнального ушверситету "Л^вська полтгехшка". 1нформацшш системи та мереж1. 2004. N° 519. С.10-20. 14. Берко А.Ю., ВисоцькаВ.А. Проектування навтацшного графа web-сторiнок бази даних систем електронно1 комерцiï // Вiсник Нацюнального ушверситету "Львiвська полiтеxнiка". Комп'ю-терт науки та iнформацiйнi технологи. 2004. N° 521. С.48-57.
Надшшла до редколегИ' 15.02.2007
Берко Андрш Юлiанович, канд.. техн. наук, докторант, доцент НУ "Львiвська полiтеxнiка", кафедра 'Тнформацшш системи та мереж1". Науков1 уподобання: оргашзащя баз даних та знань, технологй сховищ даних, моделювання систем електронного б1знесу. Захоплення: англiйська мова, анекдоти. Адреса: Украша, 79000, Льв1в, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38.
Висоцька Вiкторiя Анатоливна, асп1рант, асистент НУ "Льв1вська полггехшка", кафедра 'Тнформацшш системи та мережТ'. Науков1 уподобання: анал1з, класиф1кащя, проектування та моделювання систем електронно1 комерци; органiзацiя баз даних та знань в системах електронно1 комерци; моделювання систем електронно1 контент-комерцп; застосування технологий сховищ даних, OLAP технологш та WebOLTP-теxнолоriй в системах електронно1 комерци. Захоплення: фотографування та вщеозйомки, англiйська та нiмецька мови, туризм та мандавка. Адреса: Украша, 79000, Л^в, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38.
УДК 839.4:03
В.О. ПОВГОРОДНИЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Определяются температурные воздействия для платы с размещенными на них электронными радиотехническими элементами (ЕРЕ), исходя из решения задачи теплопроводности и термоустойчивости. Температурные воздействия определяются с помощью аналоговой зависимости и численного комплекса программ ANSYS для прямоугольной пластины. Результаты расчетов необходимы для выбора системы охлаждения. Такие платы с ЕРЕ и жидкой системой охлаждения используются в бортовой радиоэлектронной аппаратуре отечественных самолетов.
1. Введение
Проектирование объектов радиоэлектронной аппаратуры заключается в том, что опытный конструктор представляет теплофизические процессы, которые будут происходить в новой аппаратуре, а также ее конструкцию-носитель элементов электрической схемы. Он обладает навыками прогнозирования способов установки и крепления электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на платах, металлических основаниях, силовой части конструкции, зная
которые, можно составить более достоверную тепловую модель будущей аппаратуры. Другими словами, конструктор параллельно с разработчиком электрической схемы может приступить к оценке массогабаритных характеристик сначала составных частей, а затем, сложив эти части, и аппаратуры в целом с учетом такого важного фактора, как обеспечение требуемого теплового режима всех входящих в электрическую схему покупных ЭРЭ.
Одной из главных целей настоящей работы является поиск путей сокращения сроков разработки бортовой аппаратуры посредством проведения теплового анализа электрических схем на этапах технических предложений и эскизного проектирования, когда конструкция аппаратуры еще не приобрела свои реальные размеры и форму. Уже на этих этапах необходимо прогнозировать перегревы как наиболее теплонапряженных, так и других ЭРЭ. Это позволит своевременно выбрать схему построения системы обеспечения теплового режима разрабатываемой аппаратуры в целом и заранее с учетом других важных факторов определить размеры и массу конструкции в соответствии с техническим заданием (ТЗ).
Такой подход к созданию аппаратуры соответствует принятому порядку выполнения опытно-конструкторских работ, однако во многом не отвечает построению блочно-иерархического принципа поэтапного моделирования, предписывающего рассматривать тепловой режим аппаратуры с постепенно нарастающей степенью детализации от самых крупных тел (комплексов, блоков и т.д.) до отдельных элементов электрических схем [1, с.30-33].
Эскизное проектирование, когда электрическая схема будущей аппаратуры уже приобретает реальный вид, необходимо проводить ее тепловой анализ, хотя масса и размеры будущей аппаратуры еще не определены, а будут известны только после синтеза всех составных частей (узлов) электрической схемы аппаратуры, которые складываются сначала из ЭРЭ с традиционными или новыми элементами крепления и установки, в том числе и на теплоотводы и силовые части конструкции. Поэтому здесь на первый план выходят детальные расчеты электрической схемы, так как наиболее тепловыделяющие ЭРЭ и уровень трансформации плотностей тепловых потоков и относительных перегревов будут определять необходимые уровни интенсивности теплообмена ЭРЭ с остальными частями конструкции и в конечном счете скажутся на выборе рациональной системы обеспечения теплового режима аппаратуры. Все эти вопросы должны решаться внутри этапов технических предложений и эскизного проектирования. На последующих этапах будут только исправляться допущенные ошибки и совершенствоваться те принципы, которые были реализованы на ранних стадиях разработки. Что касается расчетов более крупных тел -разрабатываемой аппаратуры в целом, то они осуществляются параллельно по мере поступления уточненных исходных данных, позволяющих проводить новые расчеты, связанные с синтезом или детализацией. В этом состоит актуальность исследования, так как данные конструкции работают в сложных тепловых и механических режимах.
2. Объект исследований
Объектом исследований в предлагаемой работе является бортовая радиоэлектронная аппаратура (РЭА), размещаемая в составе изделий ракетно-космической техники. Специфика конструирования такой РЭА имеет свои отличия от других типов аппаратуры. Во-первых, ограничено применение активных СОТР, во-вторых, приходится обеспечивать работоспособность РЭА в жестких условиях эксплуатации, которые имеются на борту летательного аппарата, в-третьих, наиболее рационально обеспечивать соответствующий тепловой режим на борту пассивными средствами, максимально приспособленными к имеющимся на борту СОТР и т.д. Могут быть и такие условия эксплуатации, когда тепловой режим РЭА должен обеспечиваться практически только своими средствами. Кроме того, на космических аппаратах (КА) использование конвективного теплообмена нежелательно из-за дополнительных затрат энергии и массы СОТР. При размещении РЭА в негерметичных отсеках летательных аппаратов (ЛА) выгодно, чтобы аппаратура могла отводить рассеиваемую мощность только излучением с наружных поверхностей. При наличии в составе ЛА охлаждаемых плит конструкция РЭА должна быть построена так, чтобы практически всю рассеиваемую мощность можно было передать в основном за счет кондукции на эти плиты. Поэтому внутри РЭА организация хороших кондуктивных связей от ЭРЭ к стокам тепла является главнейшей задачей. Если они недостаточны, то из
пассивных средств отвода тепла от источников энергии к стокам могут быть эффективными тепловые трубы и тепловые аккумуляторы.
Исходя из этих соображений, можно сформулировать следующий порядок теплового проектирования, который целесообразно соблюдать на самых ранних этапах разработки аппаратуры. Эти этапы включают время от технических предложений до выпуска эскизного проекта, которые заканчиваются разработкой в основном электрических схем аппаратуры и ее составных частей и техническим заданием на разработку конструкторской документации.
Важной составной частью проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры является задача обеспечения необходимого теплового режима. Радиоэлектронные средства играют сегодня большую роль в различных областях науки и техники, а их отказы способны вывести из строя весьма серьезные системы, эксплуатируемые в очень жестких режимах работы, в том числе и климатических. В последние годы терморегулирование РЭА превращается в одну из наиболее важных областей военной и авиационно-космической техники. Разнообразные условия применения микроэлектронных устройств вызвали необходимость создания печатных плат с высокой плотностью тепловой мощности, требующих минимального технического обслуживания в процессе нормальной эксплуатации (т.е. обладающих высокой надежностью). Широкое внедрение микроэлектронных устройств, кроме того, требует разработки методов оптимизации терморегулирования РЭА.
Общий вид типовой кассетной приборной конструкции системы управления летательными аппаратами (СУЛА) представлен на рис.1.
В настоящее время конструкции РЭА встречаются прямоугольной формы - модуль воздушных параметров(см. рис.1).Он устанавливается на самолетах АН-124 «Руслан», ИЛ- 76 и предназначен для измерения основных параметров полета (высоты, истинной и приборной скорости и числа Маха, температуры забортного воздуха).
В блоках с естественной и принудительной вентиляцией нижняя и верхняя стенки кожуха имеют отверстия, обеспечивающие поступление воздуха в зазоры между платами снизу вверх и выход его затем наружу. В последнее время, однако, для блоков с принудительной вентиляцией чаще применяется такая конструкция, когда поток воздуха поступает не снизу, из воздухораспределительного поддона, а сзади. Поддон отсутствует, а труба, подводящая охлаждающий воздух извне к блоку, соединяется уже не с поддоном, а с отверстием в кожухе. При этом масса воздухораспределительных устройств несколько уменьшается. Как показали предварительные исследования, отличительной особенностью теплового режима блоков кассетной конструкции является неравномерность температурных полей как в плоскости плат, так и в направлении, перпендикулярном к платам (при равномерном тепловыделении на них).
Нагретая зона состоит из кассет с платами. В каждую кассету входит одна, две или несколько плат. Общее количество плат в блоке определяется не только габаритными размерами блока, но также и высотой ЭРЭ, устанавливаемых на платах. Платы в блоке
могут располагаться горизонтально или вертикально, однако преимущества вертикального положения плат (удобство в эксплуатации, устойчивость к механическим перегрузкам, возможность применения естественной вентиляции) заставляют конструкторов чаще останавливаться именно на таком варианте. Нагретая зона каждой платы заполнена теплорассеивающими и нетеп-лорассеивающими элементами (микросхемами, микросборками, микромодулями или дискретными элементами малого размера). Принимается, что рассеиваемая нагретой зоной мощность распределена равномерно по платам. Электрическое соединение между микросхемами и ЭРЭ осуществляется печатными токопроводника-ми, нанесенными на плату.
Рис. 1. Тепловая модель блока Печатный монтаж может быть °дностор°нний (на
кассетной конструкции одной стороне платы), двухсторонний (на обеих сторо-
нах платы) и многослойный (несколько тонких плат с одно- или двухсторонним печатным монтажом «склеены» в один пакет). Многослойные платы содержат как минимум один сплошной медный слой (толщина 0,07 мм), служащий в качестве шины питания или заземления.
Существующие зазоры между платами необходимо свести к минимуму, что диктуется соображениями сокращения массы и габаритов блока. В современных конструкциях зазор между установленными на плату ЭРЭ и соседней платой не превышает 2-3 мм.
Чаще всего отказ РЭА происходит из-за несоблюдения при их проектировании требований по устойчивости к механическим и тепловым воздействиям. В этой связи большое внимание сегодня уделяется разработке и внедрению методов теплофизического проектирования с учетом температурных напряжений. Сами температурные напряжения возникают в данных конструкциях и вызывают разрушения. Причины этого:
- наличие температурного градиента;
- несвободное тепловое расширение отдельных частей платы или невозможность этого (фиксация платы в направляющих штырях);
- для хрупких материалов (керамика, стекло, гетинакс, чугун) однократное воздействие неравномерного температурного поля.
Исходные данные для моделирования на ЭВМ теплового режима РЭС подготавливаются на основе следующей информации:
- сборочного чертежа или деталировки конструкции РЭА (либо соответствующих эскизов);
- теплофизических параметров материалов, элементов конструкции РЭА и хладоноси-телей;
- значения тепловых мощностей, рассеиваемых элементами схемы РЭА (приводятся в карте электрических режимов работы ЭРЭ принципиальной схемы анализируемой РЭА);
- температуры окружающей среды;
- параметров охлаждения конструкции (температуры и скорости хладоносителей).
3. Назначение аппаратуры
Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для установки на борту самолетов АН-140 и АН-148. Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого приемником воздушного давления. Технические требования: условия эксплуатации (температура среды t=30оC, давление р = 1,33 (104 Па)); механические нагрузки (перегрузки в заданном диапазоне Гц 110,30,50,100,500, 1000, ^5,8,12,20,25,30); удары и = 50g; требования по надежности - вероятность безотказной работы Р(0.033)=0.8. Конструкционные требования: элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой; мощность в блоке Р=27 Вт; масса блока т =50 кг; тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71; тип амортизатора АД - 15; условия охлаждения - естественная конвекция.
Если проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то к нему предъявляются следующие требования: высокая помехозащищенность; малая потребляемая мощность. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры. Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие -более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП- транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью:40...45% от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю. Таким образом, была выбрана серия микросхем К176. Конкретно были выбраны две микросхемы (К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ, К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ).
4.Сущность полученных научных результатов
Что касается Западных комплексов программ ANSYS, MARK, NASTRAN, AUTOMOD, то они применяются для расчета теплового состояния. Однако универсальные продукты при решении конкретных, узкоспециализированных проектировочных расчетов привносят дополнительные сложности — смоделировать разрабатываемую конструкцию либо очень сложно, либо вообще невозможно, поскольку этот процесс приведет к значительному увеличению времени расчета. Расчет температурных напряжений осуществляется с использованием метода конечных элементов (рис.2).
N1 i ill I I 1 1 I V и L а ^ II * I1' II М 1 1! я ii j Л j t i j
U-^
w ji 111- ' a -i if - гц*— i* — i*—[it—— : ми-
Рис. 2. Температурные изотермы на поверхности платы
Таким образом, при эксплуатации бортовой аппаратуры возникают отказы, которые можно разбить на три группы: разрушение стеклотекстолитовой (гетинаксовой) пластины, разрыв контактной дорожки и нарушение крепления ЭРЭ и его внешних выводов, выпучивание (изгиб) пластины (платы). Все три вида отказов происходят из-за температурных напряжений. Тепловое напряженное состояние таких плат является малоисследованной и в определенном смысле новой задачей.
Данный способ охлаждения, основанный на использовании приведенной конструкции (рис.3), инженеры Gigabyte назвали технологией Turbojet. Основные потоки воздуха, порожденные Turbojet, представлены на рис. 4.
Рис. 3. Жидкостная система охлаждения
Рис. 4. Принудительная система охлаждения
Минимизация температур в элементах печатных плат особенно важна для работы электронных переходов микросхем. В Военном стандарте «Расчет надежности радиоэлектронного оборудования» (MIL-HDBK-217B) сказано, что тепловая надежность микроэлектронных элементов увеличивается на 20% на каждые 5°С снижения температуры перехода (при температуре нагретой зоны около 100°С, характерной для эксплуатации РЭА военных летательных аппаратов). Кроме того, расчеты тепловых режимов должны быть частью процесса проектирования и включаться в проектные сравнения.
5. Выводы
Научная новизна состоит в определении температурных напряжений для конструкций плат с ЭРЭ, от чего зависит выбор системы охлаждения (жидкостная или конвективная). Практическая значимость результатов состоит в определении температур и температурных напряжений на поверхности платы в целях предотвращения всех перечисленных выше видов отказов.
Мощный тепловой поток требует использования адекватных средств поддержания необходимых термических режимов эксплуатации. И если в случае с Gigabyte GAG1975XC для охлаждения электронных компонентов достаточно традиционных средств охлаждения, то для решения проблемы высокого теплообразования элементов Gigabyte GA-G1975X, рассчитанных на экстремальные режимы эксплуатации, в дополнение к пассивным средствам инженеры предложили специальную конструкцию, предусматривающую наличие воздуховодов и специальных турбин. В торцах двух воздуховодов установлено четыре 40-миллиметровых вентилятора. Образуемые ими мощные потоки воздуха, обтекая элементы VRM, радиаторы процессора и чипсета, а также модулей памяти, уносят значительное количество тепловой энергии от нагретых компонентов. В одном из воздуховодов расположен северный мост чипсета с радиатором, в другом — часть преобразователя процессорного питания с радиатором на полевых транзисторах.
Список литературы: 1. Парфенов О.Д., Камышная Э.Н., Усачев В.П. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь,1989. 185 с. 2. Преснухин Л.Н., В. А. Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М.: Высшая школа, 1986. 234 с. 3. ШахновВ.А. Курс лекций. 50 с.
Поступила в редколлегию 20.03.2007
Повгородний Владимир Олегович, канд. техн. наук, докторант Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. Научные интересы: термомеханика и электроника. Хобби: наука и спорт. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. Пушкинская, 54, кв.45, тел. (раб) 94-27-94.
