Материал: Моделирование температурных полей микроэлектронных устройств и приборов методические указания к лабораторным работам
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА ЭС
1.ОБЩЕЕ 0ПИСАНИЕ РАБОТЫ
1.1.Цель работы - ознакомление с методом исследования температурного режима работы блоков радиоэлектронных
устройств на ПЭВМ с использованием специализированного программно-методического комплекса tpl.exe.
1.2. Содержание работы Лабораторная работа состоит из домашнего и лаборатор-
ного заданий. Домашнее задание заключается в изучение методики определения перегрева блока ЭС. Лабораторное зада-
ние заключается в расчете на ЭВМ температур корпуса блока, нагретой зоны, воздуха внутри блока и средних температур
плат, входящих в блок.
1.3. Используемое оборудование Для выполнения лабораторной работы используется
ПЭВМ типа IBM PC, имеющая математический сопроцессор, цветной монитор с графическим адаптером VGA и принтер.
2.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВПОЛНЕНИЮ
Для выполнения задания необходимо ознакомиться с методом определения перегрева корпуса блока РЭС и печатных плат в блоках [1, С. 172-191; 2, С. 6-14, 30-34, 215-228;].
Основными вопросами, требующими проработки, являют-
ся:
применение метода поэтапного моделирования к исследованию температурного режима работы ЭС;
тепловая и математическая модели блока;
способ определения средних температур плат в блоках;
тепловые проводимости конвекцией и излучением.
Для определения перегрева радиоэлемента или ИС необходимо учесть влияние температурных полей других составных
14
частей РЭС. В связи с этим требуется проанализировать тепловой режим работы аппаратуры начиная с верхнего уровня
иерархии (блок, плата в блоке, элемент на плате). Тепловая модель блока представлена на рис. 4.
Реальные платы с элементами заменены пластинами с размерами lx, lу и с эффективными толщинами dn, определяемыми из условия:
dn = δn + Vns/lxly, |
(7) |
где δn - толщина платы;
Vns - суммарный объем всех элементов, установленных на плату.
Эффективная ширина bn канала равна bn=hn-dn, где hn - шаг установки плат с номерами n и n-1.
Рис. 4. Тепловая модель блока
Средние температуры корпуса, нагретой зоны и воздуха находятся как
Tk |
Tcp Pc |
/ k .cp |
, |
(8) |
T |
|
T |
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
k |
|
|
|
(1/ |
|
1/( |
|
|
|
)) |
1 |
|
|
|
|
|
|
э.к |
B.k |
эюв1 |
э.в 2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
в |
(Р |
с |
|
э.к |
(Т |
э |
Т |
к |
)) /( |
в.к |
Т |
к |
). |
|
|
|
|
|
|
|
|
где Тк , Тэ - средние температуры корпуса и зоны, Uв - средняя температура воздуха;
(9)
(10)
15
Тcр - температура окружающей среды;
Рс - суммарная мощность, выделяющаяся в блоке;
бк.cр - суммарная тепловая проводимость от корпуса в сре-
ду;
- лучистая тепловая проводимость между нагретой зоной и корпусом;
бв.к - конвективная тепловая проводимость между воздухом и корпусом;-
бэ.в1, бэ.в2 - между зоной и воздухом на внутренней и наружной поверхности нагретой зоны.
Все тепловые проводимости вычисляются на основе формул вида бi=αiSi, где αi - соответствующий коэффициент теплоотдачи; Si -площадь поверхности, на которой происходит теплообмен.
Вводятся следующие характерные площади: Sк - площадь поверхности корпуса (Sк = 2(LxLy+LxLz+LyLz)); Sэ - площадь излучающей поверхности нагретой зоны (Sэ = 2(1х1у+1х1z+lуlz)); Sэ.в1,Sэ.в2 – площади внешней и внутренней поверхностей нагретой зоны, омываемой воздухом в каналах (Sэ.в1 = 2(N-1)lxly; Sэ.в2 = 2lxly+2Nd(lxly)) (см. рис. 5).
При неравномерном распределении мощностей по платам применяется соотношение
Т |
п |
Т |
ср |
(Т |
э |
Т |
ср |
)(0,85 0,12 К |
рп |
), |
|
|
|
|
|
|
(11)
К рп Рп / Р; Р Рс / N; |
(12) |
где Крп - коэффициент неравномерности распределения мощностей по платам;
Р - средняя мощность, приходящаяся на одну плату.
16
3. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Ознакомиться с назначением, возможностями и порядком работы со специализированным программно-методическим комплексом (ПМК) tpl.exe и рассчитать стационарный тепловой режим блока РЭС при использовании естественного воздушного охлаждения.
Расчет теплового режима блока проводится в порядке, приведенном в п. 3 лабораторной работы N 1.
4. УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА И КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЕ
4.1Отчет по лабораторной работе должен содержат
наименование и цель работы;
используемые тепловые и математические модели блока;
исходные данные и результаты расчетов;
заключение и выводы по результатам работы
4.2Контрольные вопросы к лабораторной работе:
тепловая модель блока;
математические модели, описывающие тепловой режим блока;
методика определения перегрева сложных комплексов РЭС;
способ расчета средних температур печатных плат;
тепловые проводимости конвекцией и излучением.
17
Лабораторная работа № 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ МОДУЛЕЙ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ
1.ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
1.1.Цель работы - ознакомление с методами анализа температурных полей модулей на печатных платах и проведение моделирования на ПЭВМ с использованием специализирован-
ного ПМК.
1.2. Содержание работы Лабораторная работа состоит из домашнего и лабораторно-
го заданий. Домашнее задание заключается в изучении методики определения перегрева и температуры модулей на печатной плате аналитическим способом при естественном и принудительном охлаждении.
Лабораторное задание - в моделировании температурного поля платы для случаев естественного и принудительного воздушного охлаждения.
1.3. Используемое оборудование Для выполнения лабораторной работы используется
ПЭВМ типа IBM PC, имеющая математический сопроцессор, цветной монитор с графическим адаптером VGA и принтер.
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ВЫПОЛНЕНИЮ
Ознакомиться со способами расчета перегрева и температуры модулей, установленных на печатной плате.
18