Диссертация (1137287), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Для подключения внешних антенн GPS и GSMмодулей используются ВЧ разъемы стандарта SMA, как одни из самыхраспространненых и доступных для высокочастотных применений, чтосущественно облегчает тестирование и отладку с существующими внешнимиантеннами без использования специализированых адаптеров и переходников.В дальнейшем они могут быть заменены на специализированные исертифицированные разъемы, например, Molex FAKRA [98]. Данныеразъемы имеют возможность цветной и механической кодировки, чтосущественно сокращает возможность неправильного подключения антенн,которые рассчитаны на разные частотные диапазоны.
Для подключения кCAN шине автомобиля и питания от бортовой сети автомобиля используетсяразъем Molex 34696-9100.Рисунок 28 - Топология печатной платы модуля РОСА111Рисунок 29 - Внешний вид печатного узла модуля РОСАСхема реализована на многослойной (4 слоя) печатной платеразмерами 135 мм × 70 мм из стеклотекстолита стандарта FR4, толщиной1,5мм. Стек слоев выбран симметричным, что сокращает вероятностькоробления и деформации платы при монтаже [39]. Такое решение дляпечатной платы с одной стороны позволяет реализовать топологию с учетомрекомендаций по ЭМС [45] (за счет использования дополнительныхэкранных слоев), с другой – разместить заказ на территории РФ (что снижаетконечнуюстоимостьпечатнойплаты).Частотныедиапазоны,задействованные в схемотехнических решениях непосредственно на ПП – до50 МГц.
Специализированные микросхемы работают на следующихчастотах: трансивер 868 МГц; GSM модем от 900 до 2500 МГц;навигационный приемник 1200-1600 МГц.1124.4 Численное моделирование внешних воздействий на печатный узелДалее в соответствии с методикой, описанной в главе 3, необходимоосуществить экранирование печатного узла, учитываярекомендации пореализации ЭМС. Мировым лидером по производству и проектированиюэкрановдлярадиоэлектроннойпромышленностиявляетсядочерняякомпания HEICO company, компания Leader Tech [100].
Для экранированиябыл подобран продукт данной компании, глухой экран конструкции Slot-Lok,обеспечивающий быстрый доступ к радиоэлектронным элементам под егокрышкой, материал – сталь, толщиной 0.5 мм. Данный экран закрываетсигнальные линии, которые расположены на верхнем слое печатной платы ирадиоэлектронные компоненты на этом же слое и согласно расчетнымтаблицам [100] более 100 дБ при частотах воздействия от 100 кГц.Дляприближениякреальнымусловиямэксплуатациипримоделировании тепловых воздействий печатный узел был «размещен» вспециально созданном в САПР Solidworks и импортированном в Ansysпластиковом корпусе размерами 140 мм × 75 мм. Он показан на Рисунок 30.Все моделирование проводилось при условиях установленной сверхукрышки корпуса, на Рисунок 30 она скрыта, чтобы показать упрощеннуюмодель ПП для теплового анализа.113Рисунок 30 – Пластиковый корпус с установленной упрощенной модельюпечатного узла модуля РОСАШтриховкойобозначеныместарасположенияосновныхтепловыделяющих компонентов печатной платы: DD1 – импульсногопреобразователя напряжения и DD5 – GSM модема, работающего внепрерывном режиме передачи данных, что соответствует наихудшимусловиям работы с точки зрения теплового режима, что практическинедостижимо в реальных условиях эксплуатации и оправданно обеспечиваетзапас по заложенным условиям моделирования.В САПР ANSYS Icepak было проведено численное тепловоемоделирование печатного узла модуля РОСА при температурах окружающейсреды от -40 до +60С с учетом глухой экранирующей конструкции, котораябыла выбрана ранее.
Наибольший интерес, с точки зрения максимальнойтепловой нагрузки на печатную плату составляет моделирование примаксимальных температурах эксплуатации, которые могут быть достижимыв кабине транспортного средства - 60С (Рисунок 31).114Рисунок 31 - Пример результатов теплового моделирования модуля РОСАпри температуре окружающего воздуха 60С и атмосферном давлении101325 Па (1 атм.) и применении сплошного экрана.Результатымоделированияпокомпонентамснаибольшейтемпературой сведены в таблице 14.Таблица 14. Температурный режим компонентов при применении цельнойэкранирующей конструкции.№Обозн.ТемператураСп/пМаксимальная Коэф.тепл. ПерегревтемпературанагрузкиСС1С173,51250,588-2С273,61250,5888-3С374,11250,5928-5С478,11250,6248-5С577,71250,6216-6С680,21250,6416-115Продолжение таблицы 14.7С771,21250,5696-8С1071,91250,5752-9С1172,51250,58-10С1473,11250,5848-11DD181,41250,6512-12L171,81250,5744-13L271,21250,5696-14R178,71250,6296-15R380,21250,6416-16R480,51250,644-17VD179,31250,6344-Поитогаммоделированияможносказать,чтомаксимальнаятемпература на печатной плате достигается в области микросхемы DC-DCпреобразователя и cоставляет 81,4С.
Предельные температуры эксплуатациидля рассматриваемых элементов являются +125С для микросхемы DC-DCпреобразователя TI TPS54361-Q1 и +85С для GSM/UMTS модема QuectelM66, но имеет место быть превышение коэффициента тепловой нагрузки наполупроводниковуюмикросхемуDD1,чтонегативноскажетсянанадежности системы, так как рекомендуемые коэффициенты для резисторови микросхем К н 0.5 [85]. Значит в текущем случае не рекомендуетсяприменять глухой экран, так как он существенно ухудшает тепловой режимпечатного узла.
Для снижения температуры компонентов печатного узлабыло выбрано решение с использованием перфорации в верхней плоскостиэкрана с применением запредельного волновода с частотой среза 30 ГГц,D=5 мм, C=6. Тогда коэффициент перфорации будет равен:116К перф.шест.отверстий100 D 2C2Кперф.шест.отверстий 69, 4% ,что удовлетворяет рекомендованным диапазонам по площади открытияповерхности для улучшения охлаждения радиоэлектронных узлов.Была осуществлена следующая итерация теплового моделирования дляподтверждения улучшения теплового режима нагруженных элементов исохранения их параметров в пределах, указанных в документации намикросхемы (Рисунок 32).Рисунок 32 - Пример результатов теплового моделирования модуля РОСАпри температуре окружающего воздуха 60С и атмосферном давлении101325 Па (1 атм.).Результатымоделированиясприменениемэкранирующей конструкции отображены в таблице 15.перфорированной117Таблица 15.
Температурный режим компонентов при примененииэкранирующей конструкции с перфорацией.№Обозн.ТемператураСп/пМаксимальная Коэф.тепл. ПерегревтемпературанагрузкиСС1С159,21250,4736-2С259,31250,4744-3С359,81250,4784-5С463,81250,5104-5С563,41250,5072-6С665,91250,5272-7С756,91250,4552-8С1057,61250,4608-9С1158,21250,4656-10С1458,81250,4704-11DD167,11250,5368-12L157,51250,46-13L256,91250,4552-14R164,41250,5152-15R365,91250,5272-16R466,21250,5296-17VD1651250,52-Результаты расчетов показали, что температурные режимы модуля привсех допустимых сочетаниях температуры воздуха и его давления находятсяв допустимых пределах.
Место максимального нагрева платы – понижающийимпульсный преобразователь. Его температура на 20 С больше посравнению с температурой печатной платы из-за малой площади микросхемы118и как следствие, контакта с печатной платой и площади рассеивания тепла.Однако данные значения укладываются в условия работы, описанные вдокументации к микросхеме и являются допустимым режимом работы.Таким образом максимальная температура на DC-DС преобразователепонизилась до 66.7С, что укладывается в регламент документации намикросхему, значит можно переходить к следующему этапу – анализумеханическойпрочностиконструкциипечатнойплатысучетомустановленного на печатный узел экрана.Для этого в среду САПР Solidworks была передана модель печатнойплаты с установленным на ней экраном, который непосредственно будетвлиять на изменения резонансных частот и жесткость конструкции печатногоузла (Рисунок 33).Рисунок 33 - Модель модуля РОСА импортированная в среду Solidworks сэкраном.Каждая конструкция имеет тенденцию вибрировать на определенныхчастотах, называемых собственными или резонансными частотами.
Каждаячастота собственных колебаний ассоциируется с определенной формой,называемой формой колебаний, которую модель стремится принимать привибрировании на этой частоте. Когда конструкция должным образом119возбуждена динамической нагрузкой на частоте, которая совпадает с однойиз ее собственных частот, конструкция подвергается большим перемещениями напряжениям. Настоящее явление называется резонансом и очень опаснодля печатных узлов, так как возникающие перемещения повышаютвероятность образования микротрещин печатных дорожек, увеличиваютвероятность отрыва компонентов печатной платы, в случае превышенияпредельныхконструкциюзначений.Рассмотримпроектируемогоанализбортовогодействиявибрациирадиоохранногомодуля.наВрезультате необходимо получить резонансные частоты печатного узла сустановленным экраном, чтобы убедиться, что они не попадают в частотныйспектр внешних механических воздействий, характерных при эксплуатациина автомобиле.
Полученные результаты моделирования в среде SolidworksSimulation представлены на Рисунок 34.Рисунок 34 - Анализ механический воздействий с экраном и смещениерезонансных частотДанные по полученным резонансным частотам отображены в таблице16. Они на порядок выше заданных в техническом задании частотвоздействий и все гармоники находятся за их пределами.120Таблица 16. Резонансные частоты спроектированного радиоохранногомодуляРежим № Частотный (рад/с) Частотный (Герц)15169,4822,7327293,61160,83109691745,74124721985,15156872496,7На основании полученных результатов можноПериод (сек)0,00121550,000861460,000572830,000503770,00040052сделать вывод, чтоспроектированный радиоохранный модуль отвечает заданным в техническомзадании требованиям по тепловым и механическим воздействиям, которыехарактерныприэксплуатациирадиоэлектронногооборудованиянаавтомобиле.4.5 ВыводыПредложеннаяметодикапозволилаинженеруспроектироватьбортовую РОСА по заданным техническим требованиям с применениемпопулярных САПР и математического аппарата, основанного натеориисистем и системного анализа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
