CC BY
118
УДК. 621.396
СТРУКТУРА, ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ И.С. Бобылкин
Рассмотрены вопросы организации процесса теплового проектирования, основные задачи оптимального структурного и параметрического синтеза, структура и состав математического обеспечения для решения этих задач на различных этапах при разработке радиоэлектронных средств
Ключевые слова: тепловое проектирование, тепловой режим, система охлаждения, математическое обеспечение
Обязательной составной частью общего процесса проектирования современных радиоэлектронных средств (РЭС) является тепловое проектирование, направленное на решение вопросов обеспечения нормального теплового режима, которое должно охватывать различные этапы как конструкторского, так функционального (схемотехнического) проектирования [1-5].
Задачи обеспечения нормального теплового режима РЭС решаются путем проведения многократного анализа (на основе моделирования температурных полей) необходимых тепловых характеристик и изменения соответствующих параметров, характеристик и режимов функционирования выбранной системы охлаждения, конструкции и, если требуется, схемы устройства [1-3]. Такой традиционный подход характеризуется многоэтапно-стью, итерационностью, достаточно большими временными затратами. Применения для моделирования специализированного программного обеспечения, входящего в состав современных программных комплексов автоматизированного проектирования (например, МесЬапіса в составе системы Рго/ЕКОІКЕЕК [6]) ускоряет процесс, но не меняет его структуру и требует значительных вычислительных затрат. Перспективным подходом здесь является переход от задач «моделирование - анализ - изменение параметров и структуры» к решению задач обеспечения теплового режима РЭС как к задачам структурного и параметрического синтеза [5,7], когда в качестве результата получаем значении параметров и характеристики системы охлаждения и конструкции, позволяющие обеспечить заданный ФЗ (нормальный) тепловой режим [4, 5]:
^ (х,у,г)®$,. (1)
Дальнейшим шагом в повышении эффективности теплового проектирования РЭС является переход к задачам оптимизации (оптимального структурного и параметрического синтеза [8]), направ-
Бобылкин Игорь Сергеевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 243-77-06, e-mail: kipr@vorstu.rul^^^B^B
ленного на получение оптимизированных тепловых характеристик устройств и комплексов РЭС или оптимальных конструктивных параметров при обеспечении заданного теплового режима:
Кт [^і (х, у, 2)]® тіп , (2)
где КТ - тепловой критерий оптималь-
ности, выражаемый специальными целевыми функциями, зависящими от параметров и характеристик температурного поля.
Таким образом, задача оптимального теплового проектирования может быть разделена на два основных типа:
1) оптимизация тепловых характеристик (температурных полей) конструкций РЭС по конструктивным и функциональным критериям;
2) оптимизация конструктивных параметров по тепловым критериям [1,4].
Анализ традиционного подхода к тепловому проектированию показывает, что повышение его эффективности может быть достигнуто путем решения задач анализа и обеспечения теплового режима, начиная с этапов функционального (схемотехнического) проектирования и начальных этапов конструкторского проектирования. Постановка и решение задач теплового проектирования как задач структурного и параметрического синтеза (в том числе и оптимального) основывается на применении концепции конструктивно-теплового синтеза [4, 5, 7], который базируется на комплексном совместном использовании методик решения вопросов анализа, обеспечения, оптимизации тепловых характеристик путем выбора параметров конструкций, систем охлаждения, теплоотводящих устройств и режимов функционирования РЭС и их систем теплоотвода. При этом задачи обеспечения тепловых режимов стараются формулировать в виде задач синтеза, решение которых позволяет получить конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие заданные или оптимальные тепловые характеристики. Такой подход и выбран в качестве базового в данной работе.
Рис. 1. Процесс оптимального теплового проектирования РЭС
Основная цель теплового проектирования -это решение задачи обеспечения нормального теплового режима на каждом иерархическом уровне конструкций РЭС (ИС и полупроводниковых приборов при проектировании узлов на печатных платах, узлов и нагретых зон - совокупности ячеек и мощных и крупногабаритных дискретных элементов - на уровне блоков, блоков в стойке, стоек и шкафов в составе комплексов и систем). Поэтому решение задач анализа тепловых характеристик и теплового синтеза, должно осуществляться на всех этапах конструкторского проектирования РЭС, что требует наличия системы многоуровневого теплового проектирования, способной решать поставленные задачи на каждом этапе процесса синтеза конструкций. Чтобы обеспечить заданные требования к тепловым режимам РЭС, на каждом иерархическом уровне решается частная задача. На разных этапах теплового проектирования методы решения задач анализа и обеспечения тепловых характеристик конструкций РЭС, могут существенно отличаться. Правильный выбор метода, будет определяться математической моделью, и полнотой исходной информации. Основной целью теплового проектирования, обеспечивающей заданную надежность, является снижение температуры как в целом в конструктивных единицах, так и в отдельных термокритичных областях. Можно рассмотреть более детальный подход к формированию требований к температурным полям, тепловым процессам и тепловым характеристикам РЭС, используя постановку задач оптимизации с применением особых тепловых критериев [9, 10].
Применив принцип суперпозиции для температурных полей [1], можно рассмотреть процесс оптимизации тепловых режимов в виде решение нескольких последовательных конкретных задач, которые направлены на обеспечения максимально возможного снижения перегревов на каждом этапе разработки РЭС [4]
AJ® max, (3)
что позволяет представить в формальном виде цель многоэтапного теплового проектирования как;
n .
^ AJ = AJ® max. (4)
n=1
где A J = $но — J- значение общего
но о но
перегрева в заданной области РЭС без оптимизации; J - после оптимизации.
Применение такого подхода требует наличия различных видов тепловых критериев, учитывающих различные параметры и характеристики температурных полей и обеспечивающих математическую постановку задач оптимизации на различных этапах проектирования и для разных типов конструкций РЭС [9,10].
Использование тепловых критериев оптимальности введет к понижению общего температурного фона, повышению равномерности распределения температурного поля, обеспечивает теплоэлектрическую совместимость схемных элементов, исключая локальные перегревы, тем самым происходит улучшение характеристик и возрастает надежность РЭС. Соответственно для всех применяемых критериев должны быть построены целевые функции и определены методики вычисления их значений [1, 9, 10].
Основой для решения задачи моделирования, анализа, обеспечения и оптимизации теплового режима в конструкции РЭС при их проектирования является математическое обеспечение, которое включает в себя математические модели тепловых процессов (температурные поля, теплопередача, теплообмен и т. д.), методы решения теплофизических задач, методики моделирования и анализа тепловых характеристик конструкции РЭС [1-5]. Базой для построение соответствующих моделей,
ал-
горитмов, методик анализа, обеспечения и оптимизации тепловых режимов РЭС являются различные методы вычислительной математики (аналитические и численные).
Рассмотрим задачи оптимального теплового проектирования, относящиеся к задачам синтеза и оптимизации.
Для обеспечения нормального теплового режима РЭС применяются различные системы охлаждения, включающие разные комплексы специальных теплоотводящих устройств. Эти комплексы применяются для направленного отвода тепловых потоков от нагретых зон (элементов) в окружающую среду. В разных конструкциях РЭС в зависимости от использованных устройств или поставленной конкретной задачи применяются различные системы охлаждения [1]. Имеющиеся системы различаются по сложности исполнения, стоимости, массе, габаритам, потреблению энергии, а так же оказывают существенное влияние на конструкцию конкретных РЭС, что приводит к необходимости выбора типа такой системы на возможно более раннем этапе проектирования и прогнозирования тепловых режимов, потенциально обеспечиваемой данной системой [11, 12].
Таким образом, в процессе теплового проектирования, нужно выбрать тип, структуру, определить параметры системы охлаждения и какие будут входить в нее теплоотводящие устройства (радиаторы, теплообменники, тепловые трубы, тепловые шины и т.д.). Затем должна решаться задача оптимизации структуры и характеристик выбранной системы охлаждения путем рационального распределения тепловых потоков, отводимых от нагретой зоны в окружающую среду. В качестве варьируемых параметров могут быть использованы параметры конструкции, материалов, теплоносителей и режимы их движения. Структурная и функциональная модель системы охлаждения представляется в виде графа теплопередачи, каждое ребро которого характеризуется эффективным коэффициентом теплопередачи аэ [5]. Математической основой теплового проектирования здесь является оптимизационные задачи теории графов, например, задача о максимальном потоке, а основным критерием отводимый тепловой поток
P ® max. (5)
Дальнейшем этапом является выбор и оптимальный синтез теплоотводящих устройств (радиаторы, шины и др.) критерием выступает обеспечиваемый конкретным устройством эффективный коэффициент теплоотдачи [2, 5]
аэ ® max (6)
изменяемыми параметрами: габариты, материалы, конфигурация и размеры теплорассеивающих элементов и т. д. Для формирования целевых функций возможно применения аналитических моделей основанных на решении краевых задач теплопроводности для стержня, пластины, параллелепипеда и цилиндра [1-3].
Следующим типом задачи является оптимизация компоновки узлов и элементов внутри блока РЭС [5] по критериям среднего перегрева
Jcp ® min (7)
или среднеквадратичного отклонения перегревов от среднего значения
sJ® min. (8)
Используя свойства аддитивности температурных полей [1, 2], приходим к постановке задач теплового проектирования в виде известных задач линейного программирования, в частности, задачи о назначениях.
Особым видом задач теплового проектирования является задачи оптимизации тепловых характеристик (в основном, локальный перегрев Ji , средний перегрев J и отклонения перегрева от
среднего sJ) на этапе топологического проектирования узлов РЭС, а именно, при размещении элементов на печатных платах. Данные задачи являются наиболее разработанными, для их решения предложены достаточно эффективные эвристические алгоритмы (метод обратного размещения, метод парных перестановок и т.д.) [1, 4].
Таким образом, структуру и комплекс основных задач процесса оптимального теплового проектирования конструкций РЭС можно представить в виде схемы, приведенной на рис.1.
В соответствии с представленной схемой предлагается соответствующая структура необходимого математического обеспечения, представлена на рис.2.
Рассмотренный в данной статье подход к построению и организации процесса оптимального теплового проектирования РЭС обеспечивает решение комплекса задач синтеза и оптимизации их конструктивных характеристик с использованием различных видов тепловых критериев на разных этапах конструкторского проектирования.
Рис. 2. Структура математического обеспечения процесса оптимального теплового
проектирования РЭС
Литература
1. Дульнев Г.Н., Методы расчета теплового режима приборов / Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов М.: Радио и связь, 1990. 312 с.
2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре/ Г.Н. Дульнев М.: Высш. шк., 1984. 247 с.
3. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования. / Под ред. Р.Г.Варламова. М.: Сов. радио, 1980. 480 с.
4. Макаров О.Ю. Сквозное тепловое проектирование в интегрированных САПР микроэлектронных устройств / О.Ю. Макаров // Под ред. А.В. Муратова. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 151 с.
5. Шуваев В.А. Методы обеспечения тепловых режимов при проектировании радиоэлектронных средств / В.А. Шуваев, А.В. Муратов, О.Ю. Макаров // Воронеж: ВГТУ, 2008. 147 с.
6. Бобылкин, И. С. Применение программного комплекса PRO| ENGINEER MECHANICA для моделирования механических воздействий на радиоэлектронные модули [Текст] / И. С. Бобылкин, И. А. Лозовой, О. Ю. Макаров, С. Ю. Сизов, А. В. Турецкий // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 6. - С.34-36.
7. Шуваев, В. А. Основные задачи и
математическое обеспечение процесса конструктивнотеплового синтеза при проектировании
радиоэлектронных средств
[Текст] / В. А. Шуваев // Вестник Воронежского
государственного технического университета. - 2008. - Т.
4. - № 4. - С. 12-15.
8. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования / И.П. Норенков // Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 360 с.
9. Бобылкин И.С. Оптимизация тепловых характеристик при проектирование конструкций радиоэлектронных средств / И.С. Бобылкин, О.Ю. Макаров // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество 2013». Пенза, 2013.
10. Бобылкин И. С. Критерии оптимальности тепловых режимов на этапах функционального и конструкторского проектирования РЭС / И.С. Бобылкин, О.Ю. Макаров // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. / ред.: А.И.Громыко, А.В.Сарафанов.- Красноярск: ИПК СФУ, 2013, с. 60-62.
11. Бобылкин И. С. Модели и методы оценки и обеспечения тепловых режимов на этапе функционального проектирования радиоэлектронных устройств/ О.Ю. Макаров, И.С. Бобылкин// Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика-2009): Матер. Межд. конф. и Рос. науч. шк. Ч. 4. М: Энергоатомиздат, 2009. С. 34-41
12. Бобылкин И. С. Методы оценки и прогноза тепловых характеристик блоков РЭС / И.С. Бобылкин // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество 2011». Пенза, 2011. - С. 34-35.
Воронежский государственный технический университет
STRUCTURE AND MAIN TASKS AND MATHEMATICAL SOFTWARE PROCESS AN OPTIMAL THERMAL DESIGNING OF RADIO ELECTRONIC FUNDS I.S. Bobylkin
Discussed the organization of the process of thermal design, the basic problem of optimal structural and parametric synthesis, structure and composition mathematical support to meet these challenges at various stages in the development of electronic funds
Key words: thermal design, of thermal treatment, cooling system mathematical software
