Назаров_Конструирование_РЭС (560499), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Тепловое моделирование и расчет теплового режима блоковцифровых РЭС на микросборкахБлоки цифровых РЭС на микросборках обычно выполняются в видеконструкций книжного типа (см. рис. 3.10). Нагретая зона микроблокасостоит из функциональных ячеек на металлических рамках, выполняющих функции несущих элементов конструкции и кондуктивных теплостоков.Процессы теплообмена можно представить тепловой моделью конструкций с источниками тепла, распределенными в объеме (см. разд.5.5.1).Однако при определении тепловой проводимости между центром иповерхностью нагретой зоны а 3 в конструкции ФЯ (рис.
5.40) свойство«дальнего порядка» частично нарушается, поскольку не все элементыконструкции имеют одинаковые геометрические формы и не выполняется требование периодичности их размещения. Поэтому параметрымодели нагретой зоны в виде однородного анизотропного тела получают на основе выбора в качестве элементарной тепловой ячейки функциональной ячейки микроблока (системы с «ближним порядком).Рис. 5.40. Конструкция односторонней функциональной ячейкиКак видно из рис. 5.40, тепло по направлению х в конструкции ФЯпередается преимущественно через боковые ребра жесткости рамки 1 и228печатную плату 3. Другие элементы конструкции, обладающие относительно высокими коэффициентами теплопроводности, включеныпоследовательно с воздушными прослойками (λ в = 0,025 Вт/(м • К)).Аналогичен механизм передачи тепла через элементы конструкцииФЯ в направлении у.
Основными цепями переноса тепла являются верхнее 2 и нижнее 4 ребра жесткости рамки.По направлению z тепло в пределах ФЯ передается через винты,стягивающие ячейки в пакет, и через ребра жесткости рамки 1 и 2, покоторым осуществляется тепловой контакт между ячейками в пакете.Таким образом, тепловые проводимости ФЯ по направлениям осейкоординат:σЯХ=2λ PS P1/lP1 ; σ ЯY=λ P(S P3+S P4 )/l P3σЯZ =λBHSBH+λ PS KH.P)/lBHгде λ P — коэффициент теплопроводности материала рамки; Sp1,Sp2 Sp3 — площади поперечного сечения соответствующих ребержесткости рамки; lp1, lp3 — длины ребер жесткости; λ, вн — коэффициенттеплопроводности материала стягивающих винтов; S вн — суммарнаяплощадь поперечного сечения винтов; SКН— площадь теплового контакта между рамками ФЯ; l вн — длина винта в пределах рамкиили высота рамки.Тепловые проводимости нагретой зоны по направлениям осей координатσ зx =mσ ЯХ , σ зy=mσ ЯY , σ зz =σ ЯZ/mгде m— число функциональных ячеек в блоке.Эквивалентные коэффициенты теплопроводности нагретой зоны понаправлениям координат:lX = σ3XlX /lylz'> λy = σ3y ly / lxlz> λz = σz lz / lXlyгде lx, ly , lz — геометрические размеры нагретой зоны по направлениямкоординат.Эквивалентные размеры нагретой зоны для λ z = λ0, lz0 = l z:l x0 = l xλ0λ0, l y0 = l yλxλy229Через отношения lz/lxo и lz/ly0 по графикам рис.
5.16 находяткоэффициент формы нагретой зоны С, после чего определяют тепловую проводимость между центром и поверхностью нагретой зоны:σ3 = 4λzlxly/Clz.5.5.4. Тепловое моделирование и расчет теплового режимаконструкций РЭС с источниками тепла,расположенными в плоскостиМодель распространяется на конструкции блоков и модулей РЭС,выполненных на одной плате, закрепленной на кожухе.Упрощенное изображение конструкции приведено на рис. 5.41, а,тепловая схема — на рис. 5.41, б.
Особенностью таких конструкций является распределение источников тепла в одной плоскости. Механизмтеплообмена и тепловая модель в целом аналогичны конструкциямРЭС с источниками тепла, распределенными в объеме (см. рис. 5.36, а).Однако размещение тепловыделяющих элементов в плоскости даетРис. 5. 41. Тепловая модель конструкции блока с пленарной нагретой зоной:а — упрощенное изображение конструкции; б — тепловая схемавозможность при оценке теплового режима ограничиваться расчетомсреднеповерхностной температуры нагретой зоны t3, которая с небольшой погрешностью может быть принята в качестве характеристики теплового режима элементов. Структуры тепловых проводимостей на тепловых схемах рис. 5.36, б и 5.41, б полностью совпадают.5.5.5. Тепловое моделирование и расчет теплового режимаконструкций РЭС с естественной вентиляциейЕстественная вентиляция в конструкциях осуществляется за счетперфорации кожухов, что обеспечивает естественное подтеканиехолодного воздуха к тепловыделяющим элементам и, тем самым, повышаетэффективность теплообмена.Интенсивность свободной конвекции с притоком воздуха извне характеризуется коэффициентом перфорации230KП=SBX/(L1 L2)где Sвх — суммарная площадь отверстий в нижней стенке кожуха навходе в блок; L 1, L 2 — геометрические размеры стенки.Обычно коэффициент перфорации Кп = 0,05...0,1.
Входные и выходные отверстия в кожухе выполняются напротив нагретой зоны плат,причем суммарная площадь выходных отверстий в 1,5—2 раза большеS BXПоказатели теплового режима блока с перфорированным кожухоммогут быть найдены, если известны показатели для блока с естественным воздушным охлаждением без притока воздуха:ΔtзОЕВ = СпΔtзО; Δtз.ЕВ = СпΔtз; Δtк.ЕВ = Сп ΔtкΔt зОЕВ , ΔtзО , Δtз.ЕВ , Δtз , Δtк.ЕВ , tк— перегревы центранагретой зоны, поверхностинагретой зоны и поверхностикожуха для конструкций сперфорированным (ЕВ) иглухим кожухом; С п — поправочныйкоэффициент, являющийся функцией коэффициента перфорации.График зависимости С п от коэффициента перфорации К п приведенна рис. 5.42.Таким образом, конструкции блоков с естественной вентиляцией мож- Рис. 5.42. График дляно представить тепловыми моделями определенияблоков с глухими кожухами и после поправочногорасчета показателей теплового режима ввестипоправку на естественную вентиляцию.5.5.6.
Тепловое моделирование конструкций с тепловыделяющимиэлементами, размещенными на металлических основанияхДанный класс объединяет конструкции аналоговых МЭА на микросборках. Типичный представитель — конструкции в корпусах типа «пенал». Упрощенное изображение конструкции приведено на рис. 5.43, а.Бескорпусные микросборки 3 размещены на металлическом основании 2, которое устанавливается в корпус 1.
Характерная особенностьконструкций — передача тепла от элементов микросборок к корпусупреимущественно теплопроводностью через внутреннюю тепловую231проводимость тепловыделяющих элементов σвн, тепловые проводимостиподложки микросборки σ п и клеевого соединения σКЛ подложкимикросборки и основания. Основание и корпус можно принять за изотермическую поверхность.
Передача тепла с поверхности корпуса окружающей среде осуществляется конвекцией и излучением. При условии, что в пределах каждой из п микросборок отсутствует взаимноетепловое влияние между элементами (предусмотрены зоны тепловойзащиты элементов) тепловая схема процесса теплообмена в конструкции может быть представлена в виде рис.
5.43,6.Рис. 5.43. Тепловая модель конструкции пенального типа на микросборках:а — схематическое изображение конструкции; б — тепловая схемаКритериальной оценкой теплового режима конструкции являетсятемпература наиболее теплонагруженного или наименее теплостойкого элемента. Температура i-го элемента, расположенного на j-й подложке, может быть найдена как232tij =t Пj + Pij/σBH ijmt Пj = t K + ∑ Pij (1 / σ Пj + 1 / σ КЛJ )i =1nt K = t C + ∑ Pj /(σ КК + σ КЛ )j =1где P ij — тепловой поток элемента; Рj• — суммарный тепловой поток,выделяемый элементами j-й микросборки; m — число элементов наподложке j-и микросборки; n — число микросборок.Значениявнутреннихтепловыхпроводимостейдлябескорпусных интегральных микросхем и транзисторов берут изтехнических условий на элементы или определяют по тепловой схемерис.
5.44, б. Исходя из способа установки кристалла на подложке (рис.5.44, а) тепло от активной области кристалла стекает на подложку 3 черезкристалл 1 (σ кр), слой клея 2 (σКЛ) и выводы 4 (σ выв).Рис. 5.44. К определению внутренней тепловой проводимости активногобескорпусного элемента : а — вариант установки на подложке; б —тепловая схемаПри известных геометрических размерах элементов икоэффициентахтеплопроводностиматериаловопределениепроводимостейкондуктивнойтеплопередачиневызываетзатруднений.5.6.
Тепловое моделирование конструкций РЭСс принудительным воздушным охлаждениемПринудительное воздушное охлаждение находит широкое применение в конструкциях РЭС. Это объясняется следующими причинами:удельная тепловая нагрузка конструкций имеет тенденцию роста приустановившихся показателях теплоустойчивости элементной базы; наличие доступного и дешевого теплоносителя; относительная простота233конструкций нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с темсистемам принудительного воздушного охлаждения свойственны и существенные недостатки, такие как наличие акустических шумов и вибрации, увеличение объема и массы конструкций РЭС, снижение надежности изделия и увеличение затрат энергии на охлаждение.Используются три системы принудительного воздушного охлаждения: приточная, вытяжная и приточно-вытяжная.Приточная система (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
