KP%20RES%20lab%20rab (Методы и отчеты по лабам РЭС), страница 8

4.4Тепловые схемы блока для расчета собственного и наведенного перегревов приведены на рис. 4.5 и 4.6 соответственно. На схемах приняты следующие обозначения: tк и Δtк ― среднеповерхностная температура и перегрев кожуха блока; ti и Δti ― среднеповерхностная температура и перегревi-ой ячейки, Rкс ― полное тепловое сопротивление от корпуса до окружающей среды; Rб0 ― тепловое сопротивление воздушного промежутка междукрайними платами и кожухом; Rб ― тепловое сопротивление между соседними платами; Rв ― тепловое сопротивление воздушных промежутков между торцевой поверхностью ФЯ и кожухом.Предполагается, что тепловой поток Pi, рассеиваемый нагретой зонойi-й ячейки распространяется как в левую, так и в правую сторону. Обозначим RiЛ — полное тепловое сопротивление от i-й ФЯ до корпуса при распространении тепла влево по схеме рис.4.8, а RiП — полное тепловое сопротивление от i-й ФЯ до корпуса при распространении тепла влево.

Тепловоесопротивление Rв i-й ФЯ учитываем в RiП. Тогда тепловые сопротивления всоответствии со схемой рис.4.5 определяются по формулам:48⎧ Rб0 , i = 1⎪Rв ⋅ R(i −1) ЛRiЛ = ⎨,Rб +, i = 2, 3, ... , m⎪Rв + R(i −1) Л⎩(4.4)⎧ Rв ⋅ ( Rб0 + Rб )⎪R +R +R , i=m⎪ вб0бRiП = ⎨.Rв ⋅ ( R(i +1) П + Rб )⎪, i = m − 1, m − 2, ... , 1⎪⎩ Rв + R(i +1) П + Rб(4.5)tCRКСPRВRВP1RБ0RВP2RБΔt1tК, ΔtКRВPiRВP(m-1)RБPmRБRБΔt2Δt(m-1)ΔtiRБRБ0ΔtmРис. 4.5P*mПRВP(S+2)ПPmПRБΔt mRБΔt (m-1)P(S+1)ПRВP*(m-1)ПΔtS RБΔt(S+1)PSЛRВP*(S+1)ПRВRБΔt(S-1)P(S-1)ЛtCRКСΔtsКP*SПP*(S-1)ЛΔt(S-2)P2ЛRВRБΔt2RБΔt1RБ0P1ЛRВP*2ЛP*1ЛRВP*(S-2)ЛPSRБ0P(m+1)ПPSРис.

4.6При известных значениях RiЛ и RiП собственный перегрев поверхностиi-й ФЯΔti = Δtiк + PiRiЛ RiП,RiЛ + RiП(4.6)49где Δtiк=Pi/Rкс - перегрев корпуса, обусловленный тепловым потоком только i-й ячейки.При определении перегрева, наведенного на i-ю ячейку, исходят изпредположения, что тепловой поток s-ой ячейки Рs (рис.4.6) распространяется в правую и левую от ячейки стороны. При этом часть теплового потокаРsЛ, идущая в левую сторону, обратно пропорциональна тепловому сопротивлению левой ветви RsЛ. Составляющая теплового потока РsП, уходящаяв правую сторону, обратно пропорциональна тепловому сопротивлению правой ветви RsП:Ps = PsЛ + PsП ;PsЛ =Δt s − Δt sК;RsЛ(4.7)PsП =Δt s − Δt sК.Rs П(4.8)Входящие в (4.7) и (4.8) тепловые сопротивления RsЛ и RsП рассчитываются по формулам (4.4) и (4.5), собственный перегрев s-й ячейки Δts ― поформуле (4.6).Наведенные s-й ФЯ перегревы на ячейки, расположенные слева, определяют по формулам:Δt( s −1) = Δt s − PsЛ Rб ;(Δt( s −1) − Δt sK ); P( s −1) Л = PsЛ − P(*s −1) Л ;P(*s −1) Л =RвΔt( s − 2) = Δt( s −1) − P( s −1) Л Rб ;P(*s − 2) Л =▪▪▪(Δt( s − 2) − Δt sK )Rв; P( s − 2) Л = P( s −1) Л − P(*s − 2) Л ;(Δt2 − Δt sK ); P2 Л = P3Л − P2*Л ;RвΔt1 = Δt2 − P2 Л Rб .P2*Л =50(4.9)Перегревы, наведенные на ФЯ, расположенные справа от s-й, находятаналогично:(Δt s − Δt sК );P( s +1) П = PsП − Ps*П ;RвΔt( s +1) = Δt s − P( s +1) П Rб ;Ps*П =P(*s +1) П =(Δt( s +1) − Δt sК ); P( s + 2) П = P( s +1) П − P(*s +1) П ;RвΔt( s + 2) = Δt( s +1) − P( s + 2) П Rб ;(4.10)▪▪▪P(*m -1)Л =(Δt( m −1) − Δt sК )RвΔtm = Δt( m −1 ) − PmП Rб .; PmП = P( m −1)П − P(*m −1) П ;Полный перегрев нагретой зоны i-й платы в соответствии с принципомсуперпозиции можно определить какmΔt зi = Δti + ∑ Δtis .(4.11)s =1s ≠iСтруктура тепловых сопротивлений Rб0, Rв, Rб определяется исходя изфизики принятых выше процессов теплообмена.С учетом лучевого и кондуктивного теплообмена между поверхностями нагретых зон и кожухомRб0 =Rв =ΔyλВ + α Л ⋅ ΔyΔxλВ + α Л ⋅ ΔxSi ;S iТ ,где λВ ― коэффициент теплопроводности воздуха; αЛ ― коэффициент теплопередачи излучением от нагретой зоны к кожуху; Si ― площадь боковойповерхности функциональной ячейки; SiТ — площадь торцевой поверхностифункциональной ячейки.51S iТ находят по соотношению S iТ =2(lx+lz)hзi , гдеlx, lz ― геометрические размеры платы по осям x и y соответственно.ЗначениеТепловое сопротивление между соседними платами определяют какRб=b/(λy·Si), где λy — коэффициент теплопроводности нагретой зоны блокапо оси y.Определение λy производится по тепловой модели нагретой зоны в виде однородного анизотропного тела.Наиболее важным этапом моделирования является выделение в конструкции элементной тепловой ячейки, которая должна отвечать следующимтребованиям:• иметь правильную геометрическую форму (желательно форму прямоугольного параллелепипеда);• обеспечивать геометрическую воспроизводимость моделируемойконструкции формальным наращиванием числа ячеек по осям x, y и z;• допускать представление ячейки совокупностью элементарных однородных изотропных тел правильной геометрической формы, для которыхдостаточно просто рассчитываются тепловые проводимости (сопротивления).Как правило, в элементарную тепловую ячейку включают один источник тепла (электрорадиоэлемент), часть несущей конструкции (основанияпечатной платы и т.д.) и воздушного объеме вокруг источника тепла.Процедура выбора элементарной тепловой ячейки иллюстрируетсярис.

4.7 на примере фрагмента конструкции нагретой зоны блока РЭС(рис. 4.7,а) с вертикально расположенными платами 1, на которых регулярноразмещены корпусированные микросхемы 2. Проекция элементарной тепловой ячейки на координатную плоскость x0y ограничена пунктирной линиейи заштрихована. Объемное изображение элементарной тепловой ячейки данона рис. 4.7,б. Здесь же показано разбиение ячейки на простейшие составляющие однородные изотропные тела. Как видно из рис. 4.7, все выделенные тела представляют собой прямоугольные параллелепипеды, для которыхпри известных коэффициентах теплопроводности материала λ и геометрических размерах тепловая проводимость может быть найдена по формулеσ=λ ⋅ Sсрl,(4.12)где Sср ― площадь стенки параллелепипеда, перпендикулярной направлению теплового потока; l ― длина стороны параллелепипеда, совпадающей снаправлением теплового потока.52x2x114365y27yzа)б)Рис.

4.7После выделения элементарной тепловой ячейки и разбиения ее. Напростейшие однородные изотропные тела на основе электротепловой аналогии составляются тепловые схемы, отражающие процесс переноса тепла вячейке по направлениям осей координат. На рис.4.8 приведена тепловаясхема ячейки, соответствующая передаче тепла вдоль оси x.

Индексы привеличинах тепловых проводимостей на схеме совпадают с нумерацией простейших однородных тел, на которые разбита элементарная тепловая ячейка(рис. 4.7,б). Тепловые схемы, отражающие передачу тепла в элементарнойтепловой ячейке по направлениям y и z, составлены аналогично и приведенына рис. 4.9 и 4.10.В результате расчета входящих в тепловые схемы тепловых проводимостей по формуле (4.12) и эквивалентного преобразования схем находяттепловые проводимости ячейки σяx, σяy, σяz по соответствующим направлениям координат.Завершающим этапом теплового моделирования является расчет тепловых проводимостей нагретой зоны по направлениям x, y, z и эквивалентных коэффициентов теплопроводности.

Если в общем случае нагретая зонаимеет размеры lx, ly, lz, в пределах которых укладывается соответственно k,m, n элементарных ячеек, то, как следует из рис. 4.7,а, тепловые проводимости нагретой зоны могут быть рассчитаны по формулам (4.2, а эквивалентные коэффициенты теплопроводности λx, λy, λz – с помощью (4.12) послеподстановки в формулы (4.3) значений σx, σy, σz и геометрических размеровнагретой зоны:53σ6σ1σ2σ1σ3σ4σ6σ2σ7σ1σ5σ3σ4σ2σ4σ6σ7σ5σ7σ3Рис. 4.8Рис. 4.9Рис. 4.10σ5Следует заметить, что в целях повышения точности тепловой моделипри разбиении элементарной тепловой ячейки на простейшие однородныетела можно учесть тепловые проводимости выводов радиоэлементов, контактных площадок, переходных металлизированных отверстий и проводников на печатной плате.

Однако это приведет к заметному усложнению тепловых схем ячеек и увеличению объема вычислений при преобразованиисхем.Содержание работы1. Ознакомление с краткими теоретическими сведениями и методикойвыполнения работы.2. Составление по исходным данным тепловой модели микроэлектронного блока.3. Расчет среднеповерхностной температуры корпуса, нагретой зоны ицентральной функциональной ячейки для исходных значений параметровконструкции блока.4.

Расчет показателей теплового режима блока при изменении параметров конструкции.5. Оценка влияния изменения параметров конструкции на показателитеплового режима блока.6. Оформление результатов исследования.Методика исследования теплового режима микроэлектронногоблокаИсследование выполняется с помощью персональной ЭВМ. Исходными данными для проведения исследования являются: геометрические размеры кожуха Lx, Ly, Lz; толщина стенки кожуха Δк ; геометрические размерынагретой зоны lx, ly, lz ; число плат в блоке m ; тип микросхем, размещенныхна плате; шаг размещения микросхем на плате tx, tz; количество микросхем kвдоль стороны х и n вдоль стороны z; коэффициент заполнения плат kiз; рас54стояние между соседними платами b1; толщина печатной платы bп; степеньчерноты наружной εк и внутренней εк.вн поверхностей кожуха; степень черноты поверхности нагретой зоны εз; тепловой поток, рассеиваемый блокомР; максимальная температура окружающей среды tс; давление окружающейсреды Н; перечень варьируемых параметров конструкции блока.По исходным данным составляется тепловая модель конструкции ипроизводится расчет среднеповерхностной температуры кожуха tк, среднеповерхностной температуры нагретой зоны tз и среднеповерхностных температур ФЯ tзi с учетом собственного и наведенного перегревов.

Затем указанным в задании изменяемым параметрам конструкции по очереди даютсянебольшие приращения и рассчитываются новые значения температур. После каждого расчета значения изменяемых параметров должны быть возвращены к первоначальным значениям. По результатам выполненных расчетов производится оценка влияния параметров конструкции на показателитеплового режима.Порядок выполнения работы1. Получить задание у преподавателя.2.