Практические работы -2
Обеспечение теплового режима в конструкции узлов на печатной плате.
Тепловые режимы конструкций РЭА и их анализ
В процессе разработки конструкций радиоэлектронной аппаратуры, особенно бортовой, постоянно возникает задача расчета и анализа тепловыделения, на основании которого производится выбор конструктивных решений при проектировании систем. В современных условиях многие предприятия не в состоянии содержать специальные подразделения для проведения таких расчетов, и выполнять их приходится разработчику, не имеющему специальной глубокой подготовки в области теплопередачи. Существенную помощь в анализе тепловых процессов печатной платы может оказать специализированное программное обеспечение, позволяющее провести необходимые расчеты и при этом доступное для пользователя, не имеющего специальной подготовки.
В весьма редких случаях устройства имеют высокий КПД, например, в мощных усилителях - до 60%. В подавляющем большинстве устройств обработки сигналов и информации тепловая мощность, выделяемая в отдельных узлах, равна мощности, потребляемой этими устройствами по цепям питания. Поэтому актуальной становится проблема отвода избыточного тепла.
Рассмотрим работу блока, в котором имеются тепловыделяющие элементы. Отвод тепла от этих элементов к внешней поверхности кожуха может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Для электронных устройств, особенно бортовых, отвод тепла за счет теплопроводности является основным механизмом. Это обусловлено тем, что излучение эффективно при высоких температурах нагретой зоны - более 100-150°С, а таких температур при нормальной работе изделия не наблюдается. Конвективный перенос внутри блока затруднен из-за малого сечения каналов.
Отвод тепла от кожуха блока во внешнюю среду осуществляется теми же механизмами. За счет естественной конвекции в условиях, когда давление среды не ниже 0,5 нормального, от блока можно отвести не менее 90% выделяемой в нём тепловой мощности. При этом поверхностная плотность тепловыделения не должна превышать 0,02 Вт/см2.
Если тепловыделение превышает указанный уровень, то необходимо переходить на принудительное охлаждение: воздушную вентиляцию, жидкостное или испарительное охлаждение блока. Из-за плотной упаковки элементов в блоках удельное тепловыделение может достигать 15-20 Вт/дм3, что приводит к необходимости разрабатывать конструктивные решения, направленные на обеспечение приемлемого теплового режима. Среди них можно отметить следующие: тепловыделяющие элементы желательно располагать ближе к кожуху или непосредственно на его стенках; в качестве конструкционных материалов необходимо выбирать такие, которые обладают высокой теплопроводностью; для ослабления переноса тепла от нагретой зоны в сторону, противоположную кожуху или радиатору, необходимо использовать тепловую экранировку с применением материалов с низкой теплопроводностью.
Расчет тепловых режимов ЭУ базируется на принципе электротепловой аналогии. Этот принцип заключается в том, что перенос тепловой энергии в конструкциях рассматривается аналогично переносу электроэнергии в электрических цепях. При этом аналогом силы тока выступает мощность нагретой зоны Рнз; аналогом разности потенциалов - разность температур (или перегрев) AT нагретой зоны Тнз и температуры окружающей среды Тс; аналогом электропроводности — тепловая проводимость 8. Использование такой аналогии позволяет составлять тепловые схемы и вести их расчет по основным правилам электротехники.
Обычно бывает задана тепловая мощность, выделяемая в блоке, указаны условия эксплуатации (Т,) и известны конструктивные параметры блока. Оценка теплового режима блока состоит в поэтапном определении перегрева нагретых зон: AT = Р/ 5 .
Изменяя конструктивные параметры теплопроводов и условия отвода тепла от внешних стенок блока, необходимо стремиться к предельному снижению величины перегрева AT. Задача состоит в том, чтобы при заданной конструкции блока температура нагретой зоны не превышала предельно-го значения (для данного конкретного элемента и конкретной схемы). Во всех случаях желательно так сконструировать и рассчитать систему теплоотвода, чтобы AT не превышала 5-10°С.
Выбор способа охлаждения существенным образом влияет на конструкцию и размеры блока. Поэтому в самом начале разработки необходимо оценить возможные уровни тепловыделения в блоках на единицу поверхности и единицу объема кожуха (табл.5.16).
Таблица 5.16. Способы охлаждения блока в зависимости от удельной мощности
| Способ охлаждения | Поверхностная плотность теплового потока, Вт/см2 | Объемная плотность теплового потока, Вт/дм3 |
| Конвективный теплообмен | 0,02 | |
| Принудительная воздушная вентиляция | 0,2 | 15-20 |
| Жидкостное охлаждение | 20,0 | 50-100 |
| Испарительное охлаждение | 200,0 | 150-200 |
Приведенные в таблице 5.16 оценки характеризуют возможности различных способов охлаждения при условии перегрева не более чем на 20°С и могут служить ориентировочными при выборе охлаждения ЭУ.
При оценочных расчетах тепловых режимов можно ограничиться рассмотрением эффективности каждого из механизмов отвода тепла от нагретой зоны по отдельности вариантов составляется тепловая схема, определяющая тепловые . При этом в каждом из проводимости отдельных участков и определяющая температуры изотермических поверхностей внутри конструкцииоценочных расчетов сравниваются с максимально допустимыми. . Далее результаты всех Тепловые проводимостиобусловленные разными механизмами, рассматриваются как параллельные. Если температура внутренних изотерм не превышает предельную, расчет в первом приближении можно считать завершенным. Если необходимо снизить перегрев, то на основе проведенных расчетов легко найти термоизолирующие участки тепловых схем и изменить конструкцию охлаждаемого блока.
Коэффициенты теплопроводности наиболее распространенных конструкционных материалов приведены в таблице 5.17 в порядке возрастания.
Таблица 5.17. Коэффициент теплопроводности некоторых конструкционных материалов
| Материал | Коэффициент теплопроводности |
| Воздух | 0,027 |
| Пенопласт | 0,03-0,06 |
| Резина | 0,15 |
| Асбест | 0,17 |
| Эпоксидный клей | 0,2 |
| Стеклотекстолит | 0,4-0,74 |
| Стекло | 0,74 |
| Ситалл | 1,3-1,5 |
| Керамика 22ХС | 18-20 |
| Сталь | 45-92 |
| Никель | 6& |
| Припой | |
| Латунь | |
| Алюминиевые сплавы | 110-180 |
| Золото | |
| Медь | |
| Серебро | |
| Алмаз |
Как видно из таблицы 5.17, платы на основе стеклотекстолитов имеют весьма низкую теплопроводность. Поэтому для отвода тепла от микросхем, установленных на таких платах, в некоторых случаях рекомендуется использовать теплоотводы из медной фольги. В особых случаях для локального отвода тепла от микросхем можно рекомендовать полупроводниковые микрохолодильники на основе элементов Пельтье, КПД которых достигает 30%, а объем не превышает 5-7 объемов охлаждаемого элемента.
Конвективный теплоотвод от блоков ЭУ наиболее прост и доступен, когда конструкция находится в газовой среде с достаточно высоким давлением. Задача оценочного расчета состоит в том, чтобы для систем с принудительной воздушной вентиляцией при заданной величине перегрева определить необходимый расход воздуха и выбрать тип вентилятора.
Ориентировочный расход воздуха G (мЗ/час) в вентилируемом блоке в зависимости от выделяемой тепловой мощности Рнз может быть определен по эмпирической формуле G = 0,47Рнз, которая справедлива при средней температуре Тср около 30°С и перегреве не более 10°С. На основании оценки производительности и исходя из аэродинамического сопротивления блока, производят выбор типа вентилятора.
При теплоотводе излучением перегрев поверхности излучения относительно окружающей среды можно определить по формуле: ДТ=Рнз/ап8, где ап - это приведенная степень черноты поверхности излучения, a S - некоторая функция, обычно заданная графически. В качестве примера в таблице 5.19 приведены значения некоторых материалов.
Таблица 5.18. Приведенная степень черноты поверхности
| Материал | Приведенная степень черноты поверхности | Температура, °С |
| Алюминий листовой | 0,09 | |
| Алюминий шероховатый | 0,05-0,87 | |
| Серебро полированное | 0,02-0,03 | 225-625 |
| Лак белый | 0,906 | |
| Лак черный | 0,8-0,96 | |
| Лак черный матовый | 0,96-0,98 | 40-95 |
Для проведения анализа тепловых режимов удобно использовать программное обеспечение фирмы Dynamic Soft Analysis, Inc.При расчете используется более 50 уравнений, позволяющих провести полноценное трехмерное моделирование явлений теплопередачи на плате. Точность моделирования при этом составляет 10 процентов по сравнению с натурными испытаниями.
При проведении моделирования используются численные методы, основанные на продвинутых методах конечных разностей с адаптивными сетками, которые генерируют адаптивные местные сетки для того, чтобы не допускать снижения точности на мелких деталях проекта, не попадающих в основную сетку платы. Преимущество расчета по конечно-элементной схеме - повышенное быстродействие анализа при высокой точности. Алгоритмы BetaSoftпозволяют достигнуть быстродействия приблизительно в 50 раз выше, чем традиционные конечно-элементные алгоритмы. Типичное время вычисления для платы 100 компонентов на 486-м персональном компьютере при тактовой частоте процессора 50 МГц - 30 секунд. Моделируются процессы теплообмена, теплопроводности, конвекции и излучения. Особое внимание уделено моделированию воздушной конвекции с учетом трехмерного расположения компонентов на плате.
Помимо программного обеспечения теплового анализа плат, фирмой Dynamic Soft Analysis, Incразработаны специализированные программы, позволяющие рассчитать тепловые режимы корпусов интегральных микросхем и микро-сборок.
Программа BetaSoft-Boardимеет специальный конвертер, обеспечивающий интерфейс с САПР печатных плат различных производителей.