Wpori

1.1 Основные проблемы
конструирования ЭВМ.
Особенности конструирования ЭВМ
•
Основными являются
электрические соединения
между элементами и узлами,
так как они обеспечивают
физические процессы
функционирования и
являются компонентами,
которые могут вызвать
искажение сигналов и
появление ложных.
Механические соединения
играют вспомогательную
роль.
•
Форма конструкции
оказывает незначительное
влияние на процесс передачи
сигналов, поэтому она слабо
связана со схемой, которая в
ней реализуется.
•
Необходимость учёта
дестабилизирующих
воздействий на ЭВМ.
Конструкция ЭВМ является сложной
системой, при проектировании
которой используется блочноиерархический подход, который
заключается в декомпозиции объектов
и задач с разной степенью детализации
их описания и иерархической
подчиненностью этих описаний.
Исходя из назначения конструкции
ЭВМ и смысла процесса
конструирования, конструктор
должен определить: форму, размеры,
материалы конструкторских узлов и их
деталей, способы их электрического и
механического соединений и
реализовать в конструкторском узле
или в их совокупности электрическую
схему.
В конструировании можно выделить
две в определенной степени
независимые задачи:
1 задача – разработка конструкции как
средства электрического и
механического соединения входящих в
узел компонентов. Она включает:
1) выбор формы;
2) геометрическую
компоновку;
3) разработку конструкции
деталей и всего узла в целом.
2 задача – схемно-топологическое
конструирование – предполагает
топологическую реализацию части
схемы в монтажном пространстве
соответствующего конструктивного
узла или модуля. Эта задача имеет
высокую размерность. В соответствии
с преследуемыми целями она
декомпозируется на подзадачи:
1) схемная компоновка –
определение схемы, которую
необходимо реализовать в
данном
модуле или его части;
2) размещение – определение
положения элементов схемы в
монтажном пространстве или его
части;
3) трассировка –
определение траекторий линий связи.
При конструировании требуется
обеспечить:
•
нормальный тепловой
режим;
•
гарантированные показатели
помехозащищенности и
помехоустойчивости;
•
требуемые значения
показателей надежности;
•
эффективность защиты от
механических и прочих
воздействий;
•
установленное в ТЗ
быстродействие;
•
конструктивнотехнологические в том
числе массо-габаритные
характеристики.
Удовлетворение указанных
требований порождает
соответствующие проектные задачи.
1.2 Методы повышения
надежности.
Надёжность – это способность
объекта сохранять во времени в
установленных пределах значения
всех параметров, характеризующих
способность выполнять объектом
требуемые функции в заданных
режимах и условиях применения,
технического обслуживания,
ремонтов, хранения и
транспортирования.
Методы повышения надежности:
•
Использование
электрорадио компонентов
и конструктивных
элементов с высокими
показателями надежности.
•
Применение способов
монтажа, обеспечивающих
более низкую
интенсивность отказов
электросоединений.
•
Разработка конструкций,
обеспечивающих более
эффективную защиту от
дестабилизирующих
факторов.
•
Использование
облегченных тепловых и
электрических режимов
работы комплектующих
элементов.
•
Резервирование
(надежность повышают за
счет использования
избыточных элементов,
частей схемы или КМ в
целом.)
2.1 Выбор формы и определение
размеров типовых конструкций.
Одна из проблем, которые
решаются
при
разработке
конструкций ЭВМ, — сокращение
потерь быстродействия из-за конечной
скорости распространения сигналов
по линиям межэлементных связей.
Общая задержка сигналов при
преобразовании
информации
складывается из задержек сигналов
t З . Л .Э.
времени
в логических элементах и
распространения
сигналов
tЗ . Л .С . в линиях связи, т. е.
Длина
линии
связи
между
наиболее
удаленными
участками
типовой конструкций зависит от ее
компоновочной схемы. В связи с этим
возникает
задача
выбора
такой
пространственной
геометрии
конструктивного модуля, которая при
данном его объеме обеспечивала бы
минимальную длину линии связи
между
наиболее
удаленными
элементами.
Пространственная
геометрия
модулей
прямоугольной
конструкции.
Наиболее
общей
компоновочной
схемой
конструктивного модуля высокого
уровня является многомерная схема,
показанная на рис. 1.
По этой
схеме,
как правило,
выполняются стойки универсальных и
специальных ЭВМ. В соответствии с
рисунком длина линии связи между
наиболее удаленными элементами
lСВ  2LВ  LH  LL  2LA
где
LВ
LH
- высота стойки;
стойки;
- суммарная длина блоков;
LA
LL
— ширина
внутри
блока
сигнала
скорости
направлении, совпадающем с
2 LA  kLL
LL .
ci
Подставив в (3) значения
и
 i , получим:
lСВ MIN  3 54V (1  k ) ;
(4)
lЗ . Л .С . MIN   З .Р. lСВ MIN
 З . Р.
где
(5)
задержка
-
распространения
сигнала
единице длины линии связи.
Для однорамной стойки
минимальная длина линии
связи lСВ MIN
 33 V
на
;
(6)
В точке оптимума коэффициенты
1 ,  2 ,  3
представляют собой
относительные величины членов
уравнение
U1 , U 2 , U 3
(1) запишем в виде
lСВ  2LВ  LH  1  k  LL (2) U   g * (7)
i
i 0
где k — коэффициент, зависящий от
конструктивного обрамления блоков.
Для определения оптимального
соотношения
между
пространственными
параметрами
модуля,
обеспечивающего
т. е.
Отсюда
U i / U j   i /  j и,
что
учитывая,
U1  2 LВ ; U 2  LH ;
получим
lСВ при U3  1  k  LL ,
оптимальное соотношение между
V  LВ LH LL пространственными параметрами
минимальную длину связи
данном его объеме
воспользуемся
геометрического
методом
программирования
Рис. 1. Полагаем, что
U1  c1LВ ;
U 2  c2 LH ;
U 3  c3 LL ;
U 3  c4 LB LH LL ,
где
c2  1 ; c3  1  k ; c4  1/ V
LB , LH , LL  0 .
g0  min U1  U2  U3   min  c1LВ  c2 LH  c3 LL 
g1  c4V  1.
Минимальное значение




lСВ MIN   c1 / 1   c2 /  2   c3 /  3   c4   g 0
1
2
LВ : LH : LL  1: 2 : 2 /(1  k )
(8)
;
Целевая функция задачи примет
вид:
при ограничении
стойки:
c1  2 ;
3
4
Рис. 2.
Компоновочна
я схема
многорамной
стойки
При
Рис. 3.
Двухмерная
компоновка
субблоков
заданном
g 0  lСВ на
значении
основании (7) можно
вывести формулы для расчета
геометрических размеров стойки:
LВ  lСВ / 6 ; LH  lСВ / 3 ;
распространения
  15  20 см / нс по
линии связи межэлементная связь
длиной 30 см дает задержку сигнала в
1,5—2 нс, что сопоставимо с
задержкой
быстродействующего
логического
элемента.
Реальные
потери быстродействия из-за задержек
сигналов в линиях связи оказываются
довольно значительными, например в
вычислительных машинах фирмы
«IBM» время распространения сигнала
по линиям межэлементных связей
составило 70-80 % длительности
цикла.
1   2   3  1/ 3 ;
 4  1/ 3 .
в
TЗ  f  tЗ.Л .Э. , tЗ.Л .С. 
При
1   2   3  1 . Эти условия
образуют систему из четырех
линейных уравнений с четырьмя
неизвестными, которая имеет
единственное решение:
- часть линии связи,
проходящая
Полагая
 3   4  0 ; и условию
нормализации
LL  lСВ / 3 1  k   ;(9)
где lСВ
 tЗ . Л .С . ДОП /  З .Р ;
t З . Л .С . ДОП
Рис. 1. Схема связи в трехмерной
типовой конструкции высокого уровня
(3)где
i
— веса, подчиняющиеся
условиям ортогональности:
1   4  0 ;  2   4  0 ;
— допустимая
задержка сигнала в линии связи.
Выражение (5) позволяет на
этапе эскизного проектирования
получить оценку снизу ожидаемой
задержки сигнала в линиях связи
разрабатываемой
типовой
конструкции i-го уровня на основе
априорных
представлений
о
количестве входящих в нее элементов (i1)-го
уровня
и
плотности
их
компоновки. Анализ выражений (4) и (6)
показывает,
что
двухмерная
компоновка типовых элементов, т. е.
однорамная
стойка,
обеспечивает
меньшую длину линии связи между
наиболее удаленными элементами
стойки, чем трехмерная.
Решим
задачу
определения
оптимальной
геометрии
функциональных
устройств,
размещаемых в панелях или
блоках, для обеспечения минимальной
потери быстродействия в линиях связи
внутри них. Общей компоновочной
схемой
субблоков
в
блоках
стационарных
ЭВМ
является
двухмерная, показанная на рис. 3.
Сформулируем задачу определения
оптимальной геометрии блока как
задачу
геометрического
программирования. Длина части линии
связи, проходящая внутри типового
элемента замены, зависит от качества
решения
задачи
трассировки
соединений между микросхемами. В
некоторых случаях при размерах
типового элемента замены 140 X 150
мм длина линии связи в блоке
достигает значения 600 мм. Запишем
kТРlТ , тогда
 l1  l2  kТРlТ (10)
ее в виде
lСВ.БЛ
где
kТР
- коэффициент, учитывающий
качество трассировки (при отсутствии
ограничений на длину связей в ТЭЗ
kТР  4 см ). Объем блока
VБЛ  l1l2lТ (11)
На основании (10) и (11) целевая
функция задачи будет:
min g0  min(l1  l2  kТРlТ )
при ограничении
g1  l1l2 kТРlТ / VБЛ .
Решение задачи дает следующие
результаты: минимальная длина линии
связи блока
lСВ.БЛ .MIN  3 VБЛ kТР
3
(12)
оптимальное соотношение
геометрических размеров блока
l1 : l2 : lТ  1:1:1/ kТР (13)
Выражения для расчета размеров
l1 , l2 , lТ
при заданном значении
длины линии связи будут:
l1  l2  lСВ / 3
(14)
lТ  lСВ /  3kТР  (15)
Выбор компоновочной схемы
многорамной стойки (конструкция
типа ЕС ЭВМ). Выше было отмечено,
что при одном и том же объеме
устройства однорамная конструкция
стойки обеспечивает меньшую длину
линии
связи
между
наиболее
удаленными
микросхемами,
чем
многорамная. Однако при большом
количестве
оборудования,
размещаемого в стойке, размеры платы
ТЭЗ
могут
оказаться
слишком
большими и не позволят обеспечить
механическую прочность и надежность
ТЭЗ. Например, для устройства
объемом 80 000 микросхем подсчитано,
что L; = 1080 мм. При однорамной
компоновке стойки это значение будет
соответствовать
длине
ТЭЗ,
а
максимально допустимый размер
стороны платы ТЭЗ равен 470 мм. В
связи с этим стойки основных
устройств универсальных ЭВМ, в
которых число микросхем достигает
нескольких
десятков
тысяч,
приходится делать многорамными
при большом числе блоков в раме.
Определим
оптимальное
N1 : N 2 : N3
соотношение
N1
и
N2
вертикальных
—
и
где
количество
горизонтальных
N3
рядов блоков в раме;
—
количество рам в стойке.
Для выбора компоновочной схемы
многорамной
стойки
используем
соотношение (8), приняв k = 0 на том
основании, что связи между блоками
являются
внутрирамными.
Выражение (8) примет вид
LВ : LH : LL  1: 2 : 2 (16)
LВ  N1l1 ;
LL  N3lT . Из
Запишем
LH  N 2l1 ;
формул
(14)
и
(15)
имеем
lT  l1 / kТР .
Подставив в (16) выражения для
LВ , LH , LL получим
оптимальное соотношение
LВ : LH : LL  1: 2 : 2 (17)
В частном случае при
приходим
к
kТР  2
соотношению
N1 : N2 : N3  1: 2 : 4 .
2.2 Модульный принцип
конструирования.
Конструирование – один из
завершающих этапов процесса
проектирования, который заключается
в физической реализации принятых
схемотехнических решений.
Конструкция ЭВМ состоит из
большого количества разнородных
компонентов, имеющих различное
назначение. Таким образом,
конструкция ЭВМ является сложной
системой, при проектировании
которой используется блочноиерархический подход,
заключающийся в декомпозиции
объектов и задач с разной степенью
детализации их описания и
иерархической подчиненностью этих
описаний.
Конструкция ЭВМ состоит из
конструктивных модулей разных
уровней иерархии.
Конструктивный модуль (КМ) –
любой узел ЭВМ, имеющий
законченное конструктивное
оформление, самостоятельную
технологию производства и
стандартные средства электрического
и механического соединения.
Геометрические размеры, средства
механического и электрического
соединения должны обеспечивать
входимость КМ низшего уровня в КМ
высшего уровня. Конструктивная
иерархия в общем случае не совпадает
со схемной/функциональной,
определяемой по принципу
функциональной законченности.
Рассматриваемый принцип
обеспечивает производство КМ
одного или разных уровней иерархии
по независимым технологическим
циклам, т.е. специализацию
производства, а также высокий уровень
конструктивно-технологической
унификации деталей, составляющих
КМ.
Вывод: рассматриваемый принцип
конструирования дает возможность
использования прогрессивного,
высокопроизводительного и
прецизионного оборудования для
изготовления, монтажа и контроля, а
также прогрессивных технологических
методов изготовления деталей и их
сборки.
Количество уровней иерархии КМ,
определяется сложностью схемы,
степенью интеграции элементной базы,
назначением ЭВМ и экономическими
факторами.
При использовании этого принципа
следует иметь в виду функциональноузловой метод проектирования. В
соответствии с ним схема разбивается
на функционально законченные части,
которые реализованы в КМ либо в их
совокупности, причем КМ одного
уровня могут иметь разные
геометрические размеры.
КМ одного из уровней оформляют в
виде легкосъемной конструкции,
имеющей разъем. Он называется
типовым элементом замены (ТЭЗ).
Это обеспечивает высокую степень
ремонтопригодности.
Пять уровней КМ:
1 уровень – многокристальный
(многочиповый) модуль
2 уровень – плата
3 уровень – блок
4 уровень – каркас
5 уровень – шкаф
Достоинства:
•
специализация
производства;
•
высокий уровень
конструктивнотехнологической
унификации узлов,
стендовой и контрольноиспытательной аппаратуры;
•
хорошая
ремонтопригодность;
•
возможность реализации
схемы практически любой
сложности.
Недостатки:
•
увеличение потерь
быстродействия из-за
задержек в линиях связи;
•
снижение возможных
показателей надежности изза большого количества
паяных, разъемных
соединений и увеличения
длин линий связи.
3.1 Выбор оптимальных
соотношений размеров панели.
связей в ТЭЗ
блока
kТР  4 ). Объем
VБЛ  l1l2lТ
Целевая функция:
min g0  min(l1  l2  kТРlТ )
при ограничении
g1  l1l2 kТРlТ / VБЛ
Откуда:
минимальная длина линия связи
блока: lСВ. БЛ .MIN  3 3 VБЛ kТР
оптимальное соотношение
геометрических размеров блока:
l1 : l2 : lТ  1:1:1/ kТР . При
заданном значении длины линии
связи: l1
 l2  lСВ / 3 ;
lТ  lСВ /  3kТР  .
Определение оптимальной
компоновочной схемы блока
Количество рядов субблоков по
горизонтали определяется: размером
l1 блока, толщиной субблока и
величиной необходимого зазора
между субблоками.
Количество рядов субблоков по
вертикали NВ зависит от
коэффициента трассировки и
отношения lТ/bТ, значения которого
устанавливаются отраслевыми
стандартами (ОСТ).
lT
 1:1,3 : 2, 2 :1,... ;
bT
l
l
N в  1  Т  K Тр .
bT bT
КТр  2 
1. lT bT  1, Nв  2.
2. lT bT  3 2, Nв  3.
Пример расчета
пространственной геометрия
блока
Исходные данные:
Длительность такта синхронизации:
Т С  40нс
Задержка сигнала между наиболее
удаленными точками не более
0,18Тс
Решение:
Допустимая задержка сигнала в
линии связи:
tЗ . Л .С . ДОП  0,18Т С  7, 2 нс
Считая, что внутриблочные связи
выполнены печатными
проводниками на многослойной
печатной плате, примем
 З.Р.  8 нс / м
Тогда допустимая длина линии
связи:
lСВ. ДОП  tЗ . Л .С . ДОП /  З .Р  0,9 м
.
Откуда размеры основания панели:
l1  l2  lСВ. ДОП / 3  0,9 / 3  0,3 м
.
Пусть kТР = 2, тогда длина ТЭЗ:
lСВ.БЛ  l1  l2  kТРlТ
Где
kТР
- коэффициент,
учитывающий качество трассировки
(при отсутствии ограничений на длину
lТ  lСВ. ДОП / 6  0,9 / 6  0,15 м
.
3.2. Теплообмен естественной
конвекцией.
Элементы, выделяющие
теплоту, называют источниками,
поглощающие – стоками, а сам
процесс передачи тепловой энергии –
теплообменом.
Конвекция связана с движением
жидкой или газообразной среды,
соприкасающейся с твердым телом –
элементом конструкции. Конвекция
заключается в совместном действии
теплопроводности среды, запасания
энергии в ней и перемешивания среды.
Конвекция может быть естественной и
вынужденной. Естественная –
обусловлена движением среды за счет
разности плотностей холодной и
нагретой областей. Вынужденная
(принудительная) – за счет движения
среды под действием вынуждающих
сил.
Конвекция описывается законом
Ньютона-Рихмана:
iC  iC  Si (i  C ),
где:

 iC
– тепловая
энергия, передаваемая
от i-го тела к среде (и
наоборот);

 iC
Si
18
 iС  A1  (i  С ) d 5  ,
где
– площадь i-го
тела, находящаяся в
контакте со средой.
При анализе теплообмена
конвекцией используются следующие
критериальные уравнения.
Критерий Нуссельта
Nu   i с  L c .
Критерий Грасгофа
Gr  g  C  (i  C )  L3  C2 .
 iС  A2   (i  С ) L   K ОР  K Н
14
i  С  (0.84 / L)3 (1)
, если
иначе
iС  A3  (i  С )1/ 3  KОР  KН
,(2)
где A2,A3 – аналоги A1;
H

1/ 4  при расчете по (1)
K H   КОНСТР  ; n  
1/ 3  при расчете по (2)
 H НОРМ 
KH
– коэффициент, учитывающий
отношение давление внутри
конструкции к давлению окружающей
среды;
KОР
Pr   C аC .
Критерий Рейнольдса
Re  V  L  c .



L – определяющий
размер (например,
высота стенки при
продольном обтекании
ее потоком среды);
g = 9.8 м/с2;
C
– коэффициент
объемного расширения
среды [1/K];


C
– коэффициент
– коэффициент
ориентации, учитывающий
ориентацию плоскости относительно
потока среды.
Теплообмен конвекцией в каналах
Канал – область между двумя
субблоками или субблоком и стенкой
блока или рамы. Канал считают
плоским и его размеры принимают
следующими:
bЭФ  b -
VДЕТ
LZ LY
,  ЭФ   
VДЕТ
LZ LY
, где:

VДЕТ
– суммарный объем
деталей, установленных на
платах;
Критерий Прандтля
Где:
A1 – коэффициент,
учитывающий теплофизические
параметры среды и являющийся
функцией температуры (берется из
справочников).
2. Теплообмен плоской и
цилиндрической стенок
2n
– удельная
тепловая проводимость
(зависит от
теплофизических и
кинематических
параметров среды, а
также от формы,
размеров элементов
конструкции и их
ориентации
относительно потоков
среды);

Gr  Pr  103...5 102 ,

LY
– размер платы в
направлении,
перпендикулярном
плоскости чертежа.
Коэффициент теплообмена
конвекцией не постоянен по высоте и
ширине канала. В расчетах
пользуются средними значениями,
считая  и V (скорость) постоянными.
Естественная конвекция в
канале. Среда – воздух
Если канал ориентирован
вертикально, скорость движения
воздуха постоянна по длине канала и
bэф  Lz ,Ly ,
, то коэффициент
кинематической
вязкости [м2/c];
теплообмена конвекцией не зависит
аC
от координат:
– коэффициент
температуропроводнос
ти [м2/c];

V – скорость движения
среды.
Естественная конвекция в
неограниченном пространстве.
1. Теплообмен неограниченного
цилиндра (проводной или струнный
монтаж l/d>100)
При ламинарном режиме
движения среды
λ
iв  4,12 в .
bэф
4.1 Основные тенденции развития
ВТ, влияющие на конструирование
1. Основная тенденция – повышение
уровня интеграции элементной базы и
её быстродействия.
2. Рост сложности аппаратуры и
плотности её компоновки.
,
3. Снижение относительных габаритов
l  l2  lСВ / 3 (14)
активных элементов и энергетического 1
уровня сигналов.
lТ  lСВ / 3kТР (15)
4. Рост удельной выделяемой
мощности активных элементов.
5. Увеличение потерь быстродействия
5.1 Выбор оптимальных
из-за задержек сигналов в линиях
соотношений размеров
связи.
многорамной стойки.
Одна из проблем, которые
4.2 Расчет геометрических размеров решаются при разработке
панели и ТЭЗ.
конструкции ЭВМ, – сокращение
Решим
задачу
определения потерь быстродействия из-за
оптимальной
геометрии конечной скорости распространения
функциональных
устройств, сигналов по линиям межэлементных
размещаемых в панелях или связей.
блоках, для обеспечения минимальной
Общая задержка сигналов при
потери быстродействия в линиях связи преобразовании информации
внутри них. Общей компоновочной складывается из задержек сигналов
схемой
субблоков
в
блоках t
з.л.э в логических элементах и
стационарных
ЭВМ
является
времени распространения сигналов
двухмерная, показанная на рис. 3.
t
в линиях связи.
Сформулируем задачу определения з.л.с
Длина линии связи между
оптимальной геометрии блока как
задачу
геометрического наиболее удаленными участками
программирования. Длина части линии типовой конструкции зависит от ее
связи, проходящая внутри типового компоновочной схемы. В связи с
элемента замены, зависит от качества этим возникает задача выбора такой
решения
задачи
трассировки пространственной геометрии
соединений между микросхемами. В конструктивного модуля, которая
некоторых случаях при размерах при данном его объеме обеспечивала
типового элемента замены 140 X 150 бы минимальную длину линии
мм длина линии связи в блоке связи.
Последовательность решения
достигает значения 600 мм. Запишем
задачи:1)выбрать критерий
ее в виде kТР lТ , тогда
оптимизации;2)разработать
модель;3)выявить влияющие
lСВ.БЛ  l1  l2  kТРlТ (10)
факторы, т.е. варьируемые
параметры;4)определить
ограничения;5)найти зависимость
целевой функции от варьируемых
параметров;6)получить формальную
постановку задачи;7)выбрать метод
решения и реализовать его,
выполняя необходимые
преобразования.
Критерий – минимум длины
линии связи между двумя наиболее
удаленными точками
конструктивного модуля.
Возможные методы
решения:1)Поиск экстремумов
функции.2)Использование методов
теории геометрического
программирования – совокупность
методов решения комбинаторных
задач непрерывной оптимизации.
Стандартная формулировка задачи
геометрического программирования:


n
где
kТР
Найти
- коэффициент, учитывающий
качество трассировки (при отсутствии
ограничений на длину связей в ТЭЗ
kТР  4 см ). Объем блока
min g0  U i
, при
i 1
g1  f (U i ), U i  Ci  t j ij , где t j
a
– варьируемые параметры,
j  1, m.
VБЛ  l1l2lТ (11)
На основании (10) и (11) целевая
функция задачи будет:
min g0  min(l1  l2  kТРlТ )
при ограничении
Ограничения:
t j  0, Ci  0,
Ui – полином с положительными
коэффициентами (позином);
ai,j – произвольные вещественные
числа.
На основании теории
Решение задачи дает следующие двойственности минимум суммы g0
результаты: минимальная длина линии сводится к максимуму двойственной
связи блока
функции v0.
g1  l1l2 kТРlТ / VБЛ .
lСВ.БЛ .MIN  3 3 VБЛ kТР
(12)
оптимальное соотношение
геометрических размеров блока
l1 : l2 : lТ  1:1:1/ kТР
(13)
Выражения для расчета размеров
l1 , l2 , lТ
Например при
1
2
(1), где
v0*
– оптимальное
решение.
при заданном значении Далее составляется система:
длины линии связи будут:
3
C  C  C 
n  3, v0*   1    2    3   C 4 4
 1    2    3 
Для
ортогональности:
Для нормализации: Тепловая модель,Тепловая модель
использующая
в виде
понятие
однородного
1   2   3  1
1   4  0,
эквивалентная анизотропного
n


нагретая зона
тела




0,
 2
4
min g 0  U i ,
Свойства
i 1
    0; 
такого тела
4
 3
 g  f U  1;
характеризуются
Точность
i
 1
эффективными
описания и
g0  lсв  min g0  C1Lb  C2 Lh  C3 Ll
анализа тепловых значениями
;
коэффициентов
процессов
теплопроводности
g1  Lb Lh Ll / V  g1  C4  Lb  Lh  Ll  1 определяется
и теплоемкости.
степенью
Тепловые
детализации
Отсюда следует,
процессы при
конструкции.
что
этом подходе
1
1
1
Например,
C  2, C  1, C  1  k , C  ,       ,    .
V
3
3
описываются
для данной
одноблочной ЭВМдифференциальны
Подставим эти значения в (1) и
м уравнением в
в качестве
получим:
частных
нагретой зоны
производных
*
можно
3
g0  [lсв ]min  3  2 V  (1  k ). рассматривать вида:






 G  , C 
весь пакет
x
y
z
При этом
субблоков (модель
a).
tзад.мин  [lсв ]min  зад.распр.
Где X ,
Если
Оптимальное соотношение Lb, Lh, Ll
существует
Y , Z позволяет найти следующее положение обоснованное
предположение
о
эффективные
теории геометрического
том, что
коэффициенты
программирования: в точке оптимума
температура,
теплопроводимост
целевой функции (ЦФ) коэффициенты
например,
и по осям x, y, z;
i показывают вклад составляющих
среднего субблока
Y - удельная
ЦФ в её оптимальное значение:
может
*
существенно
мощность
U i  g 0   i . (2)
превышать
внутренних
температуру
источников
тогда U i / U j   i /  j ;при
нагретой зоны, то теплоты; С –
в качестве
эффективный
U1  2 LВ ; U 2  LH ;
нагретой зоны
коэффициент
можно
теплоемкости.
U3  1  k LL ,
рассматривать сам
Это ДУ
субблок (модель должно решаться
имеем:
U1 2  Lb
 2 
б).
с учетом

 1; Lb : Lh  1: 2  Lb : Lh : Ll  1: 2 : 
.
U2
Lh
1  k 
нелинейных
условий на
границе нагретого
При известном значении lСВ значение
тела, что является
весьма сложной
Lb , Lh , Ll на основании (2)
задачей.
вычисляются как:

 
1
2
3
4
1
2
3
4
2
X

2
2
Y
2
2
Z
2
Y
Методика получения тепловых
моделей:
•
По результатам анализа
конструкции определяем
требуемую степень её
детализации.
•
Выявляем существенные
способы отвода теплоты.
•
Составляем схему
соединения тепловых
сопротивлений (подход 1)
или композицию
однородных анизотропных
тел, имеющих разные
теплофизические параметры
(подход 2).
•
Получаем математическую
модель и исследуем её.
6.1 Расчет геометрических размеров
многорамной стойки при заданной
задержке сигнала.
Пример расчета многорамной
стойки.
Исходные данные: N = 80 000;
3
;
0
V  0, 48cm
k  0,06 ;
 з. р.  5,5нс / м .
,
5.2 Тепловые модели конструкций
ЭВМ. Методика их получения.
Основное требование: Модель должна
быть адекватна изучаемому процессу
или явлению и реализуема
математически. Конструкция ЭВМ
является системой многих тел с
неравномерно распределенными
источниками и стоками тепловой
энергии. Ее температурное поле может
иметь достаточно сложный характер,
зависящий от распределения
источников и стоков тепловой энергии,
геометрии элементов конструкции и их
теплофизических свойств.
При разработке тепловых моделей
используют два приёма:
1)упрощение элементов
конструкций;
2)идеализация протекающих
теплофизических процессов.
Два подхода к разработке тепловых
моделей:
1й подход:
1. Упрощение элементов
конструкций – заключается в замене
сложной формы нагретой зоны более
простой. Широко используется
понятие эквивалентная нагретая зона,
когда сложная по форме
изотермическая поверхность КМ с
неравномерно распределёнными
источниками теплоты заменяется
изотермической поверхностью в виде
прямоугольного параллелепипеда с
равномерно распределёнными
источниками энергии. Замена обычно
выполняется на основе принципа
усреднения или принципа местного
влияния.
2. Идеализация процессов
теплообмена. Заключается в том, что
учитываются только те способы
передачи теплоты, которые вносят
существенный вклад в теплообмен.
Теплообмен описывается
системой неоднородных
нелинейных алгебраических
уравнений.
2й подход:
КМ или вся конструкция в
целом представляется в виде
однородного анизотропного тела с
неравномерно распределенными
источниками теплоты.
Теплообмен описывается
дифференциальными уравнениями
в частных производных 2-го
порядка.
1   2   3  1
n

min g 0  U i ,
i 1

 g  f U   1;
i
 1
g0  lсв  min g0  C1Lb  C2 Lh  C3 Ll
;
g1  Lb Lh Ll / V  g1  C4  Lb  Lh  Ll  1
Отсюда следует,
что
C1  2, C2  1, C3  1  k , C4 
1
1
1
, 1   2   3  ,  4   .
V
3
3
Подставим эти значения в (1) и
получим:
g0*  [lсв ]min  3  3 2 V  (1  k ).
При этом
tзад.мин  [lсв ]min  зад.распр.
Оптимальное соотношение Lb, Lh, Ll
позволяет найти следующее
положение теории геометрического
программирования: в точке
оптимума целевой функции (ЦФ)
коэффициенты i показывают
вклад составляющих ЦФ в её
оптимальное значение:
U i  g 0*   i . (2)
Решение:
тогда
U i / U j   i /  j ;при
U1  2 LВ ; U 2  LH ;
U3  1  k  LL ,
имеем:
U1 2  Lb
 2 

 1; Lb : Lh  1: 2  Lb : Lh : Ll  1: 2 : 
.
U2
Lh
1  k 

l
l
Lb  CВ , Lh  CВ
6
3
lCВ
Ll 
3  1  k 
1   4  0,

 2   4  0,
    0;
4
 3
При известном значении lСВ
Lb , Lh , Ll
Объем устройства :V  N V0 / k  64 104 cm3
значение
При к  0 длинна линии связи :
основании (2) вычисляются как:
lсв min  3 54V  325cm; Мин  ая зад. расп.сигнала :
tЗ . Л .С min  lCB min  З . Р  3, 25  5,5  18нс;
Оценка " снизу " геометр  х разм. стойки :
Lb  325 / 6  54cm; Lh  Ll 325 / 3  108cm;
(то что дальше в принципе в вопрос не
входит!!!)
Стандартная формулировка задачи
геометрического программирования:
Найти
n
min g0  Ui при g1  f (U i ), U i  Ci  t j ij ,
a
i 1
где
tj
– варьируемые параметры,
j  1, m.
Ограничения:
t j  0, Ci  0,
Ui – полином с положительными
коэффициентами (позином);
ai,j – произвольные вещественные
числа.
На основании теории двойственности
минимум суммы g0 сводится к
максимуму двойственной функции v0.
Например при
1
2
3
C  C  C 
n  3, v0*   1    2    3   C 4 4
 1    2    3 
(1), где
v0*
– оптимальное решение.
Далее составляется система:
Для
Для нормализации:
ортогонально
сти:
на
lCВ
lCВ
, Lh 
6
3
lCВ
Ll 
3  1  k 
Lb 
,
6.2 Способы уменьшения помехи по
цепям управления.
Помехи по цепям управления и
питания возникают из-за паразитной
связи через общее сопротивление
цепей управления и шин питания и
«земли». Эти помехи наводятся на
их общих сопротивлениях и носят
индуктивный характер.
Помеха по цепям управления
возникает в элементах, во входном
каскаде которых стоят
многоэмитерные транзисторы. В
моменты времени
t1: A2 – AM – “0” и B2 – BM – “0”
t2: A2 – AM – “1” и B2 – BM – “0”
Переходы A будут закрываться,
входные токи будут переключаться
во 2-ю входную цепь. Протекая по
управляющей цепи от Э2…ЭM, они
суммируются, на общей
индуктивности формируется помеха,
которая имеет положительную
полярность.
N
U ЛОГ  LЭКВ  I l / tФI
,
i 1
Где
LЭКВ
- эквивалентная
индуктивность управляющей линии
(включает индуктивность печатного
проводника и контактов разъемов);
жесткости. С точки зрения динамики
эта конструкция является системой
линейной и стационарной.
Расчетной моделью конструкции
ЭВМ как механической системы,
находящейся в динамическом
состоянии, является сложная
колебательная система, состоящая из
конечного числа простых
колебательных систем. Последние, как
правило, соответствуют
конструктивным модулям,
составляющим исследуемую ЭВМ.
Модель представляет собой
совокупность твердых тел m,
соединенных упругими
механическими связями E с
сосредоточенными – модель а) или с
сосредоточенными и
распределенными параметрами – б).
N
I
i 1
l - суммарный ток элементов
Э2-ЭМ.
Способы уменьшения помехи:
•
уменьшение индуктивности
печатных проводников за счет
уменьшения их длины;
•
секционирование линий связи
(приводит к уменьшению
помехи за счет сокращения
длины протекания суммарных
токов);
I
tФI
 L0  (1  2  3  4)  10 
I
tФI
 L0  (1  2)  3 
I
tФI
I
tФI
 L0 .
 L0
На верхнем рисунке не
секционированная
линия, на нижнем - секционированная
•
если управляющий и
управляемый элементы
находятся на разных
субблоках, то:
а) при наличии свободных
контактов следует их
распараллелить;
б) если возможно, следует
перекомпоновать схему так,
чтобы они располагались на
одном субблоке;
7.1 Расчетная модель конструкции
ЭВМ как механической системы,
характеристика ее качества.
Определение реакции конструкции на
виброускорение.
Для оценки качества
разрабатываемых КМ и всей
конструкции в целом с позиций
передачи ими виброускорений,
необходимо разрабатывать расчетные
модели.
Конструкция вычислительной
системы является сложной
механической системой, так как
состоит их множества механических
узлов обладающей разной степенью
Система, состоящая из упругой
связи и твердого тела называется
элементарной вибрационной
системой.
На рисунке справа:
c – жесткость связи,
b – коэффициент
демпфирования
Характеристикой качества
конструкции является частотная
характеристика H(j). Она
позволяет оценить резонансные
частоты конструкции и ее реакцию на
воздействующие виброускорения.
Частотную характеристику
конструкции находят
экспериментально или теоретически
при исследовании расчетной модели
конструкции, поведение которой при
вибрациях можно описать
аналитически.
Определение реакции
конструкции на виброускорение
Так как виброускорение на
данной частоте пропорционально
амплитуде смещения, то частотную
характеристику можно рассматривать
как отношение реакции к
возбуждающему виброускорению в
функции от частоты. Если известна
частотная характеристика, то реакция
системы на виброускорение,
приложенное к её входу, для
гармонического вибрационного
воздействия
g P  g ВХ(  )cos( t     )
Для полигармонической вибрации
n
g P   (  ) g ВХ i cos( i t  i   i )
i 1
Для случайной вибрации
Sgp   2 (  )Sg ВХ ;
 р2 
1

S

0
Здесь:
g ВХ
 2 (  )d
(  )
- модуль частотной
характеристики;
 - начальная фаза;
S gp и  р2
- спектральная плотность
мощности, и дисперсия для
стационарной случайной вибрации.
7.2 Выбор формы типовых
конструкций. Основные схемы
геометрической компоновки.
Основным показателем ЭВМ,
зависящим от формы и геометрической
компоновки, является быстродействие,
при этом в качестве критерия
используется минимальная длина линии
связи между наиболее удаленными
точками КМ.
Постановка задачи:
Для КМ с плоскостной
компоновкой – найти плоскую фигуру
с заданной площадью, ограниченную
замкнутой кривой минимальной
длины.
Для КМ с объемной (трехмерной)
компоновочной схемой – найти
пространственную фигуру заданного
объема, ограниченную замкнутой
поверхностью минимальной площади.
Площадь или объем определяется
количеством компонентов КМ и
возможными значениями
коэффициентов заполнения монтажной
плоскости или объема.
Если компоненты КМ
рассматриваются как материальные
точки, то искомая фигура –
соответственно круг или шар. Эти
фигуры не удовлетворяют
большинству конструктивнотехнологических требований и не
обеспечивают высоких коэффициентов
заполнения монтажной плоскости или
объема. Поэтому КМ выполняют в
виде прямоугольного параллелепипеда.
Ориентация КМ относительно
монтажной плоскости КМ следующего
уровня как правило ортогональная,
реже, например микросхема-плата
субблока, монтажные плоскости этих
КМ параллельны.
КМ могут повторятся в одном, 2х, 3-х геометрических направлениях.
Для обеспечения доступа к
элементам, требующим осмотра,
регулировки или замены в процессе
эксплуатации используют следующие
способы перемещения:
•
выдвигание,
•
раскрытие
(книжная конструкция),
•
разворот (веерная
конструкция),
•
откидывание.
Рис1- Горизонтальное (а, б) и
вертикальное (в) выдвигание
субблоков
Рис2- Вертикальная (а, в) и
горизонтальная (б) оси раскрытия
субблоков в блоках книжной
конструкции
Рис3- Блок с выдвижными
субблоками
Рис4- Вертикальное (а,в) и
горизонтальное (б) направления
разворота субблоков в блоках
8.1. Перекрестная помеха.
Рекомендации по
конструированию линий связи.
Виды помех и искажений
сигналов в цепях связи
Невзаимодействующие цепи связи:
•
искажение сигнала от
эффекта отражений;
•
помехи по цепям
управления;
•
помехи по шинам питания
и «земли».
Взаимодействующие линии связи:
•
перекрестная помеха.
Различают два вида линий связи:
•
электрически «короткие»
– время распространения
сигнала меньше
длительности фронта
импульса (tф > 4Tз) –
выполняют неэкранированными;
•
электрически «длинные»
– время распространения
сигнала больше
длительности фронта
импульса – выполняют
согласованным
коаксиальным кабелем.
Помехи во взаимодействующих
линиях связи
Механизм возникновения и
математическая
модель
Перекрестной помехой (ПП)
называется паразитный сигнал,
появля-ющийся в линии при
прохождении сигнала в близ
расположенной линии передачи изза их ёмкостного и индуктивного
взаимодейст-вия.
Возможно суммирование ПП от
нескольких близко расположенных
линий связи. Поскольку паразитная
связь убывает при увеличении
расстояния, существенными
являются наводки от двух соседних
линий (3-4t, где t – шаг печатного
монтажа).
Различают два варианта включения
элементов пассивной цепи,
относительно активной:
•
согласное, если Э3 –
источник сигнала
(управляющий элемент), а
Э4 – приёмник
(воспринимающий элемент);
•
встречное, если Э3 –
воспринимающий элемент, а
Э4 – управляющий.
Взаимодействующие цепи связи при
встречном включении (а) и их
фрагменты (б).
нелинейными граничными условиями
для различных форм реальных
сигналов – очень сложная задача.
Из-за значительного разброса
параметров цепей связи
(входные/выходные характеристики
элементов, электрические
характеристики линий связи)
проведение точного расчета
нерационально.
Целесообразно выполнять
приближенный расчет перекрестных
помех, упростив исходные уравнения
и граничные условия на основе
разумных допущений.
При таком подходе можно:
•
проанализировать
различные варианты схем
соединений;
•
определить способы
снижения помехи;
•
оценить допустимую длину
участков взаимодействия
линий связи,
а также сформулировать
рекомендации для выбора:
•
линий связи на различных
участках
соединения;
•
типа печатной платы;
•
типа разъема и количества
его
контактов в
комбинированной линии;
•
конструкции и топологии
печатных
проводников.
Переходные процессы в двух
взаимодействующих линиях передачи с
идентичными параметрами
описываются дифференциальными
уравнениями в частных производных:
3. Идеализация сигнала в активной
линии. Обоснованием являются
предположения:
•
переходные процессы в
активной линии не зависят
от переходных процессов
формирования помехи (Kс,
KL = 0,10,2);
•
собственные реактивности
активной линии не влияют
на переходные процессы
формирования сигнала в
ней.
4. Возможность отдельного анализа
ёмкостной и индуктивной
составляющей ПП.
8.2. Характеристики надежности
КМ при вибрациях, рекомендации по
использованию видов вибрации для
испытания элементов и КМ .
Вибропрочностью
типового
конструктивного элемента называется
свойство
элемента
в
заданных
диапазонах частот и ускорений
противостоять
разрушающему
действию вибрации и продолжать
выполнять свои функции после
воздействия вибрации.
Виброустойчивостью типового
конструктивного элемента называется
свойство элемента выполнять функции
в условиях вибрации в заданных
диапазонах частот и ускорений.
Упрощения и допущения при
инженерном анализе перекрестных
помех
1. Переход от распределённых к
сосредоточенным параметрам. Этот
переход выполняется только для
коротких линий связи.
C1, L1 – интегральные значения
собственных ёмкостей и
индуктивностей активной линии.
C2, L2 – интегральные значения
собственных ёмкостей и
индуктивностей пассивной линии.
Cв, Lв – интегральные значения
взаимных ёмкостей и индуктивностей
активной и пассивной линий.
C1 = C10l1;
C2 = C20 l2;
Cв = Cв0 lв;
L1 = L10 l1;
L2 = L20 l2;
Lв = Lв0 lв,
где l1,l2 – длина линии связи; lв –
длина участка взаимодействия.
(Согласное и встречное включение)
При анализе взаимодействующих
цепей указанные уравнения должны
решаться с учетом граничных условий,
которые определяются входными и
выходными характеристиками
логических элементов, входящих в эти
цепи.
Решение дифференциальных
уравнений в частных производных с
Rлев, Rпр – эквивалентные
сопротивления на левом и правом
концах пассивной линии.
2. Линеаризация граничных
условий. Нелинейное выходное и
входное сопротивление элементов
пассивной цепи заменяются их
линейными эквивалентами.
Справедливость этого допущения
обосновывается сравнительно
небольшими колебаниями рабочей
точки из-за низкого уровня
допустимых помех.
При
испытаниях
на
вибропрочность параметры элемента,
могущие претерпеть изменения при
воздействии вибраций, определяют до
и после воздействия. При испытаниях
на
виброустойчивость
параметры
элементов контролируют непрерывно в
ходе испытаний (ТУ на испытания
должны содержать перечень таких
параметров).
Характеристика
вибропрочности
связана
с
транспортировочной вибрацией, а
характеристика виброустойчивости – с
э
эксплуатационной.
Обе
эти
характеристики
определяются
значением испытательной нагрузки,
временем ее действия. Например, для
случая
гармонической
вибрации
переменной частоты задают уровень
нагрузки – 50 м/с2, диапазон частот –
5...5000 Гц, время действия – 10 ч.
Рекомендации
по
использованию видов вибрации для
испытания элементов и КМ
Испытание
комплектующих
элементов следует проводить либо на
гармоническую вибрацию, либо на
узкополосную случайную вибрацию. В
первом
случае
задают
уровень
виброускорения
(или
амплитуду
колебаний),
частоту
и
время
воздействия. Связь между уровнем
виброускорений и амплитудой Аg (мм):
Аg=9810g/(4π2ω2),
где ω-частота колебаний, Гц.
Среднюю частоту спектра
берут равной резонансной частоте
элемента. Во втором случае задают
среднеквадратичное
значение
воздействия, ширину полосы и
среднюю частоту спектра.
Испытание конструкции в
целом необходимо проводить на
случайное
широкополосное
воздействие
или
на
полигармоническую вибрацию.
9.1. Цель и принципы
конструкторского
проектирования.
Конструирование – один из
завершающих этапов процесса
проектирования,
который
заключается
в
физической
реализации
принятых
схемотехнических решений.
Конструкция ЭВМ состоит
из
большого
количества
разнородных
компонентов,
имеющих различное назначение.
Связи между параметрами и
характеристиками компонентов и
выходными
характеристиками
устройств
или
ЭВМ
трудноустановимы.
Таким образом конструкция
ЭВМ является сложной системой,
при
проектировании
которой
используется блочно-иерархический
подход.
Блочно-иерархический
подход
–
заключается
в
декомпозиции объектов и задач с
разной степенью детализации их
описания
и
иерархической
подчиненностью этих описаний.
Исходя
из
назначения
конструкции
ЭВМ
и смысла
процесса
конструирования,
конструктор должен определить
форму,
размеры,
материалы
конструкторских узлов и их деталей,
способы их электрического и
механического
соединений
и
реализовать в конструкторском узле
или
в
их
совокупности
электрическую схему.
В конструировании можно
выделить две в определенной
степени независимые задачи:
1 задача – разработка
конструкции
как
средства
электрического и механического
соединения входящих в узел
компонентов. Она включает:
1) выбор формы;
2)
геометрическую
компоновку;
3)
разработку
конструкции деталей и всего узла в
целом.
2
задача
–
схемнотопологическое конструирование –
предполагает
топологическую
реализацию
части
схемы
в
монтажном
пространстве
соответствующего конструктивного
узла или модуля. Эта задача имеет
высокую
размерность.
В
соответствии
с преследуемыми
целями она декомпозируется на
подзадачи:
1)
схемная
компоновка
–
определение
схемы,
которую
необходимо
реализовать
в
данном модуле или его
части;
2) размещение – определение
положения элементов схемы в
монтажном
пространстве
или его части;
3)
трассировка
–
определение
траекторий линий связи.
Одноуровневый
принцип
конструирования
Вся схема реализуется на
одном
кристалле.
Возможность
применения принципа определяется
достигнутым уровнем интеграции,
требуемой сложностью реализуемой
схемы и экономическими факторами.
Достоинства:
•
минимум
потерь
быстродействия
из-за
задержек сигналов в линиях
связи;
•
минимум
снижения
надежности
из-за
небольшого
числа
разъемных
или
паяных
соединений.
Недостаток:
низкая
или
нулевая ремонтопригодность.
Работоспособность
может
быть обеспечена за счет схемной или
информационной избыточности.
Многоуровневый
принцип
конструирования
Конструкция ЭВМ состоит из
конструктивных
модулей
разных
уровней иерархии.
Конструктивный модуль (КМ)
– любой узел ЭВМ, имеющий
законченное
конструктивное
оформление,
самостоятельную
технологию
производст-ва
и
стандартные средства электрического и
механического соединения.
Геометрические
размеры,
средства
механического
и
электрического соединения должны
обеспечивать входимость КМ низшего
уровня в КМ высшего уровня.
Конструктивная иерархия в общем
случае не совпадает со схемной/
функциональной, определяемой по
принципу
функциональной
законченности.
Рассматриваемый
принцип
обеспечивает производство КМ одного
или разных уровней иерархии по
независимым технологическим циклам,
т.е. специализацию производства, а
также высокий уровень конструктивнотехнологической унификации деталей,
составляющих КМ.
Вывод:
рассматриваемый
принцип
конструирования
дает
возможность
использования
прогрессивного,
высокопроизводительного
и
прецизионного
оборудования
для
изготовления, монтажа и контроля, а
также прогрессивных технологических
методов изготовления деталей и их
сборки.
Схема
иерархии
конструктивной
•
•
Ранговый состав конструкции
ЭВМ,
т.е.
количество
уровней
иерархии
КМ,
определяется
сложностью
схемы,
степенью
интеграции
элементной
базы,
назначением ЭВМ и экономическими
факторами.
При использовании этого
принципа следует иметь в виду
функционально-узловой
метод
проектирования. В соответствии с ним
схема разбивается на функционально
законченные
части,
которые
реализованы в КМ либо в их
совокупности, причем КМ одного
уровня
могут
иметь
разные
геометрические размеры.
КМ одного из
уровней
оформляют в виде легкосъемной
конструкции, имеющей разъем. Он
называется
типовым
элементом
замены (ТЭЗ). Это обеспечивает
высокую
степень
ремонтопригодности.
Достоинства:
•
специализация
производства;
•
высокий
уровень
конструктивнотехнологической
унификации
узлов,
стендовой и контрольноиспытательной аппаратуры;
•
хорошая
ремонтопригодность;
•
возможность
реализации
схемы практически любой
сложности.
Недостатки:
•
увеличение
потерь
быстродействия
из-за
задержек в линиях связи;
•
снижение
возможных
показателей надежности изза большого количества
паяных,
разъемных
соединений и увеличения
длин линий связи.
9.2. Определение теплового
сопротивления от корпуса ИС к
каркасу блока.
Тепловое сопротивление от
ИС к корпусу блока
1 – корпус ИС;
2 – зазор между ИС и шиной;
3 – теплопроводящая шина;
4 – плата;6 – субблок;
5 – каркас субблока;
6 – направляющая блока.
Рассмотрим передачу теплоты
кондукцией от некоторой микросхемы
к корпусу блока по элементам
конструкции. При этом той частью
тепловой энергии, которая передается
по плате субблока, пренебрегаем, так
как Rпл>>Rш.
RЗ – тепловое сопротивление
тепло-проводящего материала зазора;
RШ1, RШ2 –сопротивление
контакта
шина
тепловые
сопротивления шин;
RK1 – тепловое – каркас
субблока;
RСТ – тепловое сопротивление
стенки каркаса субблока;
RK2 – тепловое сопротивление
контакта каркас субблока – корпус
блока.
Результирующее
тепловое
сопротивление
•
мощности источников и
стоков тепловой энергии;
мощности
системы
принудительного отвода
теплоты;
условий теплообмена (к
ним относятся: размеры,
форма,
взаимное
расположение элементов
конструкции
и
теплофизические
параметры
материалов
конструктивных
элементов).
Тепловой режим называется
нормальным,
если
температура
компонентов
не
превышает
допустимую. Нормальный режим
обеспечивается при проектировании
разработкой
системы
отвода
тепловой
энергии
как
для
конструкции в целом, так и для ее
элементов.
Способы отвода теплоты
Теплота может передаваться:
•
кондукцией
(теплопроводностью);
•
конвекцией;
•
излучением;
•
испарительным
охлаждением.
RΣ=Rз+(Rш1+R)(
Rш2+R)/(
Передача
тепловой энергии
Rш1+ Rш2+2R)
от изотермической поверхности i с
Тепловые сопротивления при температурой i к изотермической
этом определяются как
поверхности j с температурой j, и
наоборот, описывается уравнением:
Rз=hз/( λз Sк); Rст=bк/( λст
i   j   i  Fij
Sст)
Rш1=l1/( λш Sш); Rш1=l2/( λш
Sш);
Rк1=1/( αк1 S к1); Rк2=1/( αк2
Sк2);
где λз, λш и λст –
коэффициенты
теплопроводности
материала,
заполняющего
зазор,
теплопроводящей шины и каркаса
субблока; Sr – площадь зазора между
корпусом ИС и шиной; Sш – площадь
поперечного сечения теплопроводящей
шины; Sст – площадь сечения каркаса
субблока
в
направлении,
ортогональном к тепловому потоку;
Sк1, Sк2 – половина площади контактов
шина-каркас субблока, каркас субблока
– корпус блока.
10.1. Теплообмен в конструкции
ЭВМ.
Основные понятия
Температурный(тепловой)
режимпространственно-временное
распределение температуры в КМ.
Задачи его анализа сложны, поэтому
будем
рассматривать
только
стационарный режим.
Или
(1)
 j  i   j  Fji ,
где Фi , Фj - теплота от тел i
и j, [Вт],
Fi,j = Fj,i - тепловой
(температурный)
коэффициент,
иногда трактуется как тепловое
сопротивление.
Структура
тепловых
коэффициентов зависит от способа
передачи
энергии
и
условий
теплообмена.
10.2. Графический метод оценки
искажений сигналов от эффекта
отражений в линиях связи схем
ТТЛ.
Графический
метод
исследования
искажений
в
несогласованных линиях связи
схем ТТЛ
Выделяемая
активными
1
и
3
–
выходные
элементами тепловая энергия может
характеристики элемента-источника
передаваться другим, имеющим более
в состоянии «1» и «0»;
низкую
температуру,
пассивным
2 – входная характеристика
элементам, деталям конструкции и
элемента-приемника
отводиться в окружающую среду.
11.1. Помехи по цепям управления.
Элементы,
выделяющие
Рекомендации по
теплоту,
называют
источниками,
конструированию цепей
поглощающие – стоками, а сам
управления.
процесс передачи тепловой энергии –
теплообменом.
Помехи
по
цепям
управления и питания
Тепловой режим зависит от:
Помехи
по
цепям
•
температуры окружающей
управления и питания возникают изсреды;
за паразитной связи через общее
сопротивление цепей управления и
шин питания и «земли».Эти помехи
наводятся на их общих сопротивлениях
и носят индуктивный характер.
Помеха по цепям управления
Возникает в элементах, во
входном каскаде
которых
стоят
многоэмиттерные транзисторы.
В моменты времени
t1:
A2 – AM – “0” и B2
– BM – “0”
теплопроводности среды, запасания
энергии в ней и перемешивания среды.
Конвекция
может
быть
естественной
и
вынужденной.
Естественная
–
обусловлена
движением среды за счет разности
плотностей холодной и нагретой
областей.
Вынужденная
(принудительная) – за счет движения
среды под действием вынуждающих
сил.
Конвекция
описывается
A2 – AM – “1” и B2 законом Ньютона-Рихмана:
t2:
– BM – “0”
 i c   i с  Si (i  c ),
Переходы A будут закрываться,
входные токи будут переключаться во
где Фic – тепловая энергия,
2-ю входную цепь. Протекая по передаваемая от i-го тела к среде (и
управляющей цепи от Э2…ЭM, они наоборот);
суммируются, на общей индуктивности
ic – удельная тепловая
формируется помеха, которая имеет проводимость;
положительную полярность.
Si – площадь i-го тела,
находящаяся в контакте со средой.
Удельная
тепловая
проводимость
зависит
от
теплофизических и кинематических
параметров среды, а также от формы,
размеров элементов конструкции и их
ориентации относительно потоков
среды.
При анализе теплообмена
конвекцией используются следующие
критериальные уравнения.
1. Критерий Нуссельта
2. Критерий Грасгофа
3. Критерий Прандтля
4. Критерий Рейнольдса
Nu   i с  L c .
Gr  g  c  (i  c )  L3  c2 .
Pr   c аc .
Способы уменьшения помехи:
•
уменьшение индуктивности
печатных проводников за
счет уменьшения их длины;
•
секционирование
линий Re  V  L  c .
связи
(приводит
к
где L – определяющий размер
уменьшению помехи за счет (например, высота стенки при
сокращения
длины
продольном обтекании
протекания
суммарных ее потоком среды);
токов);
g = 9.8 м/с2;
с
–
коэффициент
объемного расширения среды [1/K];
vc
–
коэффициент
кинематической вязкости [м2/c];
c
–
коэффициент
температуропроводности [м2/c];
V – скорость движения
среды.
Пр
и 10< Re <105:
Nu  0.8 Re ,
 i c  0.8 
в
L
V  L /в
Теплообмен конвекцией в каналах
Канал – область между двумя
субблоками или субблоком и стенкой
блока или рамы. Канал считают
плоским и его размеры принимают
следующими:
I
•
tФI
 L0  (1  2)  3 
I
tФI
 L0
если
управляющий
и
управляемый элементы находятся
на разных субблоках, то:
а) при наличии свободных
контактов следует их распараллелить;
б) если возможно, следует
перекомпоновать схему так, чтобы они
располагались на одном субблоке;
Движе
ние среды вдоль плоской (а) или
цилиндрической (б) стенок
а) ламинарное движение среды (Re <
4104) для воздуха (i - в)< 100C
NuЛ  0.57 Re ,  iЛв  0.57 
в
L
V  L /в ;
б) турбулентное движение среды (Re >
4104) для воздуха (i - в)< 100C
11.2. Теплообмен вынужденной

0.8
конвекцией.
NuT  0.032  Re0.8 ,  iTв  0.032  в V  L /  в  .
L
Конвекция.
Конвекция
связана
с
движением жидкой или газообразной 2.Поперечное обтекание
среды, соприкасающейся с твердым
телом – элементом конструкции.
Конвекция
заключается
в
совместном
действии
где L – поправочный коэффициент,
зависящий от соотношения диаметра
и длины трубы.
2. При турбулентном движении
(Re>104):
где ’L – поправочный коэффициент,
зависящий
не
только
от
соотношения диаметра и длины
трубы, но и от значения критерия
Рейнольдса.
Трубы и каналы в теплоотводящих
(холодных) плитах могут быть
круглого/некруглого сечения. При
некруглом сечении
используют
понятие «эквивалентного диаметра»:
d ЭКВ 
bэф  b -
Vдет
V
,  эф    дет ,
Lz Ly
Lz Ly
где Vдет – суммарный объем деталей,
установленных на платах;
Ly – размер платы в направлении,
перпендикулярном плоскости чертежа.
Коэффициент теплообмена конвекцией
не постоянен по высоте и ширине
канала.
В
расчетах
пользуются
средними значениями, считая  и V
(скорость) постоянными.
Вынужденная конвекция в канале.
Среда воздух
1. Ламинарное движение (Pr = 0,7).
Среднее значение критерия:
4F
,
П
где F – площадь поперечного
сечения трубы;
П – полный смачиваемый
периметр.
Теплофизические
и
кинематические параметры зависят
от температуры. Для расчетов
параметры
определяют
при
температуре:
θm  0,5   θВХ  θВЫХ  ,
где вх/вых - температура на
входе/выходе
соответствующего
участка трубы.
Определяющая скорость расхода
хладагента: V

GV
F
,
где
GV
[м3/с]
–
объемный
расход
хладагента.
Если
тепловая
энергия,
воспринимаемая
хладагентом,
расходуется только на изменение его
теплосодержания, тогда количество
этой энергии, отводимой через
трубу, определяется по формуле:
Ф  CP  ρ  GV  θВЫХ  θВХ  ,
где
Р – удельная теплоемкость
хладагента, [Дж/кг·К]

–
плотность
хладагента, [кг/м3] .
Вынужденная конвекция в
неограниченном пространстве.
1.Продольное
обтекание
I
I
 L0  (1  2  3  4)  10   L0 .
tФI
tФI
Теплообмен при вынужденном
движении жидкости в трубах
(Конструкции
с
жидкостным
охлаждением)
1. При ламинарном движении
(Re<2200):
lн – длина участка стабилизации 12.1. Индуктивная составляющая
потока среды (после этого участка перекрестной помехи. Способы ее
скорость и коэффициент теплообмена уменьшения.
можно считать постоянным по длине
канала).
2. Турбулентное движение:
где lн=40bэф.
При вычислении критериев Нуссельта
и Рейнольдса для ламинарного потока
L = bэф , а для турбулентного - L = 2bэф.
Для
воздушного
зазора
между
субблоками
с
микросхемами
в
прямоугольных корпусах:
где dэкв – эквивалентный диаметр
воздушного зазора между субблоками
(dэкв = 4F/П), где F – площадь
поперечного сечения, П – периметр
При линейном законе изменения
фронта тока ЭДС, наведенная в
пассивной
цепи
за
счет
взаимоиндуктивной связи,
Eп=LвIа/tфI,
где Iа и tфI – перепад тока в активной
линии и длительность его фронта.
•
При согласном включении линий
индуктивная
помеха
по
знаку
противоположна фронту наводящего
сигнала, при встречном – знаки
совпадают.
12.2. Методика получения тепловых
моделей конструкций ЭВМ.
Тепловые модели конструкций ЭВМ
Основное требование: Модель
должна быть адекватна изучаемому
процессу или явлению и реализуема
математически.
Конструкция
ЭВМ
является
системой многих тел с неравномерно
распределенными
источниками
и
стоками
тепловой
энергии.
Ее
температурное поле может иметь
достаточно
сложный
характер,
зависящий
от
распределения
источников и стоков тепловой энергии,
геометрии элементов конструкции и их
теплофизических свойств.
При разработке тепловых моделей
используют два приёма:
•
упрощение
элементов конструкций;
•
идеализация
протекающих
теплофизических процессов.
Два подхода к разработке тепловых
моделей
1 – подход:
1.
Упрощение
элементов
конструкций – заключается в замене
сложной формы нагретой зоны более
простой.
Широко
используется
понятие эквивалентная нагретая зона,
когда
сложная
по
форме
изотермическая поверхность КМ с
неравномерно
распределёнными
источниками
теплоты
заменяется
изотермической поверхностью в виде
прямоугольного параллелепипеда с
равномерно
распределёнными
источниками энергии. Эта замена
обычно выполняется на основе
принципа усреднения или местного
влияния.
2.
Идеализация
процессов
теплообмена. Заключается в том, что
учитываются только те способы
передачи теплоты, которые вносят
существенный вклад в теплообмен.
Теплообмен
описывается
системой неоднородных нелинейных
алгебраических уравнений.
2 – подход:
КМ или вся конструкция в целом
представляется в виде однородного
анизотропного тела с неравномерно
распределенными
источниками
теплоты.
Теплообмен
описывается
дифференциальными уравнениями в
частных производных 2-го порядка.
Методика
получения
тепловых
моделей конструкций ЭВМ
•
По результатам анализа
конструкции
определяем
требуемую
степень
её
детализации.
•
Выявляем
существенные
способы отвода теплоты.
•
Составляем
схему
соединения
тепловых
сопротивлений (подход 1)
или
композицию
однородных анизотропных
тел,
имеющих
разные
теплофизические параметры
(подход 2).
Получаем математическую
модель и исследуем её.
13.1. Определение теплового
сопротивления типовых
конструкций при теплообмене
кондукцией.
Кондукция – передача теплоты
посредством взаимодействия молекул
тела или соприкасающихся тел. Если
два
участка
тела
или
соприкасающиеся тела имеют разную
температуру, возникает поток теплоты
в сторону меньшей температуры.
Кондукция может происходить в
жидкой или газообразной среде, а
также между телом и средой, если нет
движения среды или между телом и
средой есть прослойка – пленка
неподвижной среды.
Определение
теплового
сопротивления
типовой
конструкции
Благодаря
конструктивной
унификации элементов ЭВМ типовые
конструкции
характеризуются
регулярностью в одном, двух или трех
направлениях.
В таких конструкциях можно
выделить некоторый элементарный
объем (ячейку), повторяя который в
соответствующих
направлениях,
получим исходную конструкцию.
Регулярные конструкции можно
считать
анизотропными
телами,
имеющими
неодинаковые
коэффициенты теплопроводности по
основным
геометрическим
направлениям,
которые
равны
соответствующим
коэффициентам
элементарной ячейки
(x = ях, y = яy , z = яz ,).
Такой
подход
позволяет
рассчитывать тепловое сопротивление
данной и аналогичных конструкций.
При
проверочных
расчетах
температуры элемента конструкции
возникает также задача определения
теплового сопротивления от этого
элемента до стока теплоты.
13.2. Анализ взаимодействующих
цепей связи элементов ЭВМ.
Взаимодействующие линии связи с
распределенными параметрами
При анализе взаимодействия цепей
связи необходимо учитывать взаимные
паразитные емкость Св0 и
индуктивность Lв0.
Печатные проводники на
поверхности однородного
диэлектрика

Печатные проводники на
плате без экранирующего
слоя:

Печатные проводники на
плате с
металлизированным
слоем:
механическое крепление входящих в
них КМ предыдущих уровней.
В типовой конструкции можно
выделить следующие составные
части:
•
несущие детали типовой
конструкции,
которые
служат для размещения и
защиты
от
внешних
воздействий
деталей,
входящих
в
данную
сборочную единицу;
•
элементы
крепления,
ориентации, стыковки и
расстыковки
типовой
конструкции
с
КМ
следующего уровня;
•
детали
крепления
и
фиксации
конструктивных
элементов, входящих в
данную
типовую
конструкцию;
•
элементы
защиты
от
внутренних воздействий в
том числе обеспечения
нормального
теплового
режима;
•
элементы
внешней
и
внутренней
электрической
коммутации;
•
лицевую панель;
•
элементы индикации и
контроля.
В зависимости от уровня
конкретной типовой конструкции,
назначения и вида ЭВМ некоторые
из
составных
частей
могут
отсутствовать.
!!! Основным элементам
типовых конструкций посвящен
раздел 3 «Конструктивные
модули», поэтому по этому
вопросу необходимо
проштудировать все слайды
данного раздела !!!
14.2. Помеха по шинам питания.
Способы ее уменьшения.
Тепловое
сопротивление
конструкции
как
однородного
анизотропного тела

Предположения:
а) сквозная циркуляция
воздуха
между
субблоками
–
отсутствует;
б) излучением тепловой
энергии в зазорах можно пренебречь.
Следовательно тепловая энергия
передается кондукцией в элементах
конструкции и в воздушных зазорах.
!!! Далее рассматривается:
- «Элементарная ячейка пакета
субблоков» - вопрос 20-2
- «Тепловое сопротивление от ИС к
корпусу блока» - вопрос 9-2 !!!
Печатные проводники на
разных слоях однородного
диэлектрика
14.1. Типовые конструкции. Их
основные элементы.
Конструктивные модули ЭВМ
Назначение
–
обеспечение
протекания физических процессов
функционирования и защита от
дестабилизирующих факторов.
В
КМ
осуществляется
электрическая
коммутация
и
В статическом состоянии по шинам
питания протекают стационарные
токи,
вызывающие
постоянное
падение
напряжения.
При
переключении
элементов
соответственно
происходит
изменение этих токов.
Если в цепи 1 одновременно
переключаются N элементов Э4-ЭM,
то на общих индуктивностях шин
питания и «земли» возникает помеха
из-за изменения токов:
Эта помеха может быть как
положительной,
так
и
отрицательной полярности.
Положительная
помеха
попадает на вход элемента Э2 через
вывод «земля» и выходную цепь
элемента Э1, находящегося в
логическом «0».
Отрицательная помеха – через
вывод питания и выходную цепь
элемента
Э1,
находящегося
в
логической «1».
Способы уменьшения помехи:
•
секционирование (как для
ПП, так и для подложек
МС);
•
распараллеливание
контактов разъемов;
•
увеличение ширины шин
питания и «земли»;
•
использование
развязывающих
конденсаторов:
L
( tФ  n )2
Cp 
, Rк  экв ,
Lэкв
tФ  n
где
Rк – модуль сопротивления
конденсатора,
n
–
желаемая
кратность
уменьшения помехи.
•
в
МПП
использование
сетчатых слоев;
•
в ДПП шины питания и
земли
целесообразно
располагать друг над другом
для увеличения емкости
конструктивного фильтра.
15.1 Выбор вида печатной платы в
зависимости от быстродействия
схем
Применение однослойных
печатных плат без металлизированной
поверхности допустимо лишь для низкоскоростных устройств
( t фU
 2.5
), где уменьшение
амплитуды помехи возможно за счет
сокращения длины участка
взаимодействия.
Для монтажа элементов в
быстродействующих устройствах
( t фU
  ) необходимо использовать
многослойные печатные платы с
введением металлизированных слоев,
это приводит к увеличению
отношений C в 0
/ Lв 0 , C0 / Lв 0 ,
Cв 0 / Св 0 . Емкостную
составляющую перекрестной наводки
можно уменьшить, выбирая материалы
платы с минимальной эффективной
диэлектрической проницаемостью.
15.2 Методика получения модели
конструкции ЭВМ как механической
системы. Анализ элементов
конструкции
Расчетную модель конструкции
получают выделением и идеализацией
существенных и отбрасываем
второстепенных факторов. При этом
модель необходимо составлять для
трех взаимно перпендикулярных
направлений. Построение расчетной
модели удобно связывать с
разделением конструкции на
сборочные узлы. Разбиение
конструкции на элементарные
вибрационные системы и установление
соответствия КМ элементам этих
систем: если внутри КМ существует
нежесткая механическая часть, то
жесткая часть этого КМ образует
основание вибрационной системы,
нежесткая механическая часть –
упругую связь модели, а объектом
является следующий КМ, входящий в
рассматриваемый. Рассматривая
последовательно конструкцию ЭВМ от
стойки к модулю, получаем цепочку

вибрационных систем, составляющих
модель для данного геометрического
направления.
Если собственная частота
элемента конструкции существенно
превышает частоту вибрационного
воздействия, то этот элемент
считается твердым телом, в противном
случае он – нежесткая механическая
связь. Различают связи с
сосредоточенными (амортизаторы) и
распределенными параметрами
(шпильки, болты, винты [l>>d], а
также платы как тонкие пластины
[min(l1,l2)/h>>10]).
Элементы защиты от
внутренних воздействий в
том числе обеспечения
нормального теплового
режима;

Элементы внешней и
внутренней электрической
коммутации;

Лицевую панель;

Элементы индикации и
контроля.
17.1 Одноуровневые и многоуровневые
принципы конструирования
16.1 Определение допустимой длины
Одноуровневый. Вся схема
взаимодействующих линий связи
реализуется на одном кристалле.
Формула суммарной
Возможность применения принципа
перекрестной помехи при встречном
определяется достигнутым уровнем
включении:
интеграции, требуемой сложностью
реализуемой схемы и экономическими
U a RCв0lв tфU / I a RлевLв0lв
 t фI / 
U пв 
1 e 
1 e
факторами. Достоинства: минимум
tфU
tфI Rлев  Rпр
потерь быстродействия из-за задержек
сигналов в линиях связи; минимум
Для случая t фU  2.5 ,
снижения надежности из-за
небольшого числа разъемных или
когда экспоненциальным членом
паяных соединений. Недостатки:
можно пренебречь, независимо от
низкая или нулевая
полярности помехи формула примет
ремонтопригодность.
вид:
Работоспособность может быть
 U RC
I a RвхLв 0lв  а обеспечена за счет схемной или
U п   a в 0 
lв
 t
информационной избыточности.
tфI Rвх  Rвых  
 фU
Многоуровневый. Конструкция
В данном случае амплитуда
ЭВМ состоит из конструктивных
помехи прямо пропорциональна длине модулей разных уровней иерархии.
участка взаимодействия, а
Конструктивный модуль (КМ) – любой
длительность помехи примерно равна
узел ЭВМ, имеющий законченное
длительности фронта. При учете
конструктивное оформление,
только емкостной составляющей
самостоятельную технологию
допустимую длину участка
производства и стандартные средства
взаимодействия можно определить из
электрического и механического
условия
соединения. Геометрические размеры,
средства механического и
,
ПД
a
в0 в
фU
электрического соединения должны
обеспечивать входимость КМ низшего
откуда:
уровня в КМ высшего уровня.
Конструктивная иерархия в общем
доп
ПД фU
a
п0 .
случае не совпадает со схемной/
Если t фU   , то, разложив
функциональной, определяемой по
принципу функциональной
экспоненту в ряд и ограничившись
законченности. Рассматриваемый
двумя членами разложения, получим:
принцип обеспечивает производство
Uа
Ia
КМ одного или разных уровней
U п 

по независимым
1  С0 / Св0  Ссх / Св0lв Rвых Св0 / Lв0  С0 / Lв0  Ссх / Свиерархии
0lв
технологическим
циклам, т.е.
.
специализацию производства, а также
Таким образом амплитуда
высокий уровень конструктивнопомехи практически не зависит от
технологической унификации деталей,
длины участка взаимодействия, а
составляющих КМ. Таким образом,
длительность помехи прямо
рассматриваемый принцип
пропорциональна его длине.
конструирования дает возможность
использования прогрессивного,
16.2 Основные элементы типовых
высокопроизводительного и
конструкций
прецизионного оборудования для
В типовой конструкции можно
изготовления, монтажа и контроля, а
выделить следующие составные части: также прогрессивных технологических
методов изготовления деталей и их

Несущие детали типовой
сборки.
конструкции, которые
служат для размещения и
17.2 Анализ искажений сигналов в
защиты от внешних
несогласованных линиях связи
воздействий деталей,
Модель переходных процессов в
входящих в данную
элементарной цепи связи без учета
сборочную единицу;
потерь имеет следующий вид:

Элементы крепления,
dU / dX   L0 di / dt ;
ориентации, стыковки и
расстыковки типовой
di / dx  C0 dU / dt , где x и t –
конструкции с КМ
координаты расстояния и времени.
следующего уровня;
Граничные условия – выходные
характеристики элемента-источника и

Детали крепления и
выходная характеристика элементафиксации конструктивных
приемника. Эквивалентные уравнения
элементов, входящих в
в конечных разностях:
данную типовую
конструкцию;
ik (m)  iн (m  1)   U k (m)  U н (m  1) / Z 0 ,

U
l
 


 U RC l / t
U t
 
/ U RC


 


iн (m)  ik (m  1)  U н (m)  U k (m  1) / Z 0
, где iн, Uн, ik, Uk – токи и
напряжения соответственно в начале
и конце линии, m=t/Tз.
18.1 Основные задачи
конструкторского
проектирования
1) Разработка конструкции как
средства электрического и
механического соединения
входящих в узел компонентов. Она
включает: выбор формы;
геометрическую компоновку;
разрабоку конструкции деталей и
всего узла в целом.
2) Схемно-топологическое
конструирование – предполагает
топологическую реализацию части
схемы в монтажном пространстве
соответствующего конструктивного
узла или модуля. Эта задача имеет
высокую размерность. В
соответствии с преследуемыми
целями она декомпозируется на
подзадачи: схемная компоновка –
определение схемы, которую
необходимо реализовать в
данном модуле или его
части; размещение – определение
положения элементов схемы в
монтажном пространстве или его
части; трассировка – определение
траекторий линий связи.
18.2 Определение допустимой
длины несогласованной линии
связи
Если затягивание переднего
фронта можно не учитывать, то
предельная длина несогласованного
соединения определяется
амплитудой колебаний в конце
линии, например, должно
выполняться условие U+  Uпд.
Согласно теории U+  0,15 Uлог,
если 2Tз  tф. Откуда, если Uпд  0,15
Uлог, то Tз = lд’з.р  tф/2. Тогда lд =
tф/(2’з.р).
19. 1. Показатели надежности
невосстанавливаемых ЭВМ.
Эти ЭВМ характеризуются
следующими показателями :
1. Интенсивностью отказов.
2. Средней наработкой до первого
отказа.
3. Вероятностью безотказной
работы.
Интенсивность отказов (t) [1/час]
– условная плотность вероятности
возникновения отказа к моменту
времени (t) при условии, что до
этого момента отказ не возникал:
Зависимость
интенсивности отказов от времени
20. 1. Классификация
нестационарных ЭВМ. Виды
механических воздействий на них.
Основные задачи конструирования.
•
•
19.2. Способы уменьшения
перекрестной помехи.
Рассмотрим формулу
суммарной ПП при встречном
включении
с точки зрения выработки
рекомендаций по использованию
линий связи и печатных плат в
зависимости от скорости переключения
элементной базы.
1. tфU>2,5. В этом случае
экспоненциальным членом можно
пренебречь. Независимо от полярности
помехи:
Основные способы снижения ПП за
счет изменения топологии, геометрии
и конструкции межсоединений:
•
трассировка ЛС на соседних
слоях под углом 90 или 45;
•
увеличение расстояния
между ЛС на одном слое;
•
использование согласного
включения элементов
взаимодейст-вующих цепей;
•
для уменьшения ёмкостной
составляющей ПП
использование
диэлектриков с малым ;
•
для уменьшения
индуктивной составляющей
ПП – увеличение
расстояния между взаимодействующими цепями,
таким образом, чтоуменьшалась площадь
перекрытия контуров,
Э
1
Э
3
образуемых
взаимодействующими линиями
и соединяемыми ими
элементами;
•
разнесение контактов
разъемов взаимодействующих цепей, элементы
которых расположены на разных субблоках;
•
использование
разделяющего
экранирующего
проводника;
•
выполнение коаксиальным
2. tфU < . Разложив экспоненту в ряд и
кабелем или
ограничившись двумя членами
экранированной витой
разложения, получим
парой участков
взаимодействующих цепей
на длине, превышающей
допустимую;
•
использование МПП со
специальными структурами
Отсюда видно, что амплитуда помехи
сигнально-потенциальных
практически не зависит от длины
звеньев.
участка взаимодействия, а
длительность помехи прямо
пропорциональна его длине.
Из формулы видно, что амплитуда
помехи прямо пропорциональна длине
участка взаимодействия, длительность
помехи приблизительно равна
длительности фронта. При учете
только емкостной составляющей
допустимую длину участка
взаимодействия можно определить из
условия Uпд  Uа·R·Св0·lв/tфU
откуда
Экран
Особенности
конструирования ЭВМ,
устанавливаемых на подвижных
объектах.
Такие ЭВМ функционируют в
условиях
интенсивного воздействия
различных
факторов, основными из которых
являются механические ( из-за них
возникает до 50% отказов).
Классификация
нестационарных ЭВМ, параметры
воздействий.
Нестационарные ЭВМ делят на:
•
устанавливаемые и
работающие на ходу:
- на автомобилях,
мотоциклах, сельскохозяйственной,
дорожной и строительной технике
(группа 1);
- во внутренних помещениях
речных судов (группа 2);
- на подвижных
железнодорожных объектах (группа 3);
•
предназначенные для
длительной переноски
людьми, работающие и не
работающие на ходу;
- транспортируемые и
портативные (группа 4);
•
устанавливаемые на
самолетах, ракетах, морских
судах и искусственных
спутниках Земли.
Значения параметров
воздействующих факторов.
1(автомоб
Факторы Параметры
или)
Вибрация Частота, Гц
20
на одной Ускорение, м/с2 2
частоте Время
0,5
выдержки,ч
Вибраци Диапазон частот 10..70
и
Ускорение, м/с2 0,8..3,8
в
Время
12
диапазон выдержки,ч
е частот
Удары
Длительность,мс 5..10
одиночн Число ударов в 40..80
ые
мин
15
Ускорение, м/c2 60
Общее число
ударов
Удары
Длительность, мс 5..10
многокра Число ударов в 40..80
тные
мин
15
Ускорение, м/c2 12000
Общее число
ударов
Падение Высота, мм
Число падений Основные задачи
конструирования нестационарных
ЭВМ.
При разработке и оценке конструкций
ЭВМ необходимо:
•
определить виды
механических воздействий и
возникающих из-за них
отказов;
•
выявить свойства и
определить форму
представления воздействий,
влияющих на
работоспособность ЭВМ;
•
•
•
•
получить характеристики
надежности компонентов,
связанные с
механическими
воздействиями
(виброустойчивость и
вибропрочность);
разработать расчетную
модель конструкции и
выбрать характеристику
ее качества;
разработать
математическую модель,
описывающую движение
расчетной, и получить
характеристику качества
конструкции;
теоретически оценить
значение воздействий на
компоненты и КМ при
установленных в ТЗ
параметрах воздействий,
характерных для объекта
установки;
подтвердить оценки
экспериментально;
сравнить параметры
воздействий с
характеристиками
соответствующих
показателей компонентов
и КМ. При
неудовлетворительном
исходе – принять меры к
повышению
эффективности защиты
комплектующих
элементов и КМ.
20.2. Определение тепловых
сопротивлений пакета субблоков.
Тепловое сопротивление
конструкции как однородного
анизотропного тела.
Предположения:
а) сквозная циркуляция воздуха
между субблоками – отсутствует;
б) излучением тепловой энергии в
зазорах можно пренебречь.
Следовательно тепловая энергия
передается кондукцией в элементах
конструкции и в воздушных
зазорах.
Элементарная ячейка пакета
субблоков.
Схемы соединения тепловых
сопротивлениий частей ячейки по
осям x (а), y (б) и z (в)
1 – часть платы субблока;
2 – теплопроводящий материал;
3 – корпус ИС;
4, 5, 6, 7 – воздушные зазоры.
Результирующие значения
тепловых
сопротивлений
(проводимостей)
элементарной
ячейки:
Отк
уда,
используя
формулу
теплового
сопротивлени
я
плоской
стенки,
получаем:
Аналогично определяем: яy(яy) и
яz (яz).
С учетом геометрических размеров
пакета
субблоков
тепловые
сопротивления
Rях = 1/яx, Rяy = 1/яy, Rяz = 1/яz –
тепловые
сопротивления
элементарных ячеек в направлении
осей x, y и z.
21. 1. Геометрическая компоновка
конструкции ЭВМ.
Геометрическая
компоновка – это выбор формы КМ,
взаимного расположения и способов
перемещения
друг
относительно
друга, а также определения размеров
КМ и кратности их повторения по
главным
геометрическим
направлениям.
Взаимное
расположение
КМ с учетом возможности их
повторения
по
главным
геометрическим
направлениям
называется компоновочной схемой или
схемой геометрической компоновки.
Форма
КМ
и
их
геометрическая компоновка должны
обеспечивать
выполнение
конструктивно-технологических
требований
и
установленные
значения тех показателей ЭВМ,
оговоренных в ТЗ, которые зависят от
формы и геометрической компоновки.
Выбор формы КМ и
типовые схемы геометрической
компоновки.
Основным показателем
ЭВМ, зависящим от формы и
геометрической компоновки, является
быстродействие, при этом в качестве
критерия используется минимальная
длина линии связи между наиболее
удаленными точками КМ.
Постановка задачи :
Для КМ с плоскостной
компоновкой – найти плоскую фигуру
с заданной площадью, ограниченную
замкнутой кривой минимальной
длины.
Для КМ с объемной
(трехмерной) компоновочной схемой
– найти пространственную фигуру
заданного объема, ограниченную
замкнутой поверхностью
минимальной площади. Площадь или
объем определяется количеством
компонентов КМ и возможными
значениями коэффициентов
заполнения монтажной плоскости или
объема.
Если компоненты КМ
рассматриваются как материальные
точки, то искомая фигура –
соответственно круг или шар. Эти
фигуры не удовлетворяют
большинству конструктивнотехнологических требований и не
обеспечивают высоких
коэффициентов заполнения
монтажной плоскости или объема.
Поэтому КМ выполняют в виде
прямоугольного параллелепипеда.
Взаимное расположение и
способы перемещения.
Ориентация КМ
относительно монтажной плоскости
КМ следующего уровня как правило
ортогональная, реже, например
микросхема-плата субблока,
монтажные плоскости этих КМ
параллельны.
КМ могут повторятся в
одном, 2-х, 3-х геометрических
направлениях.
Для обеспечения доступа к
элементам, требующим осмотра,
регулировки или замены в процессе
эксплуатации используют следующие
способы перемещения:
•
выдвигание,
•
раскрытие (книжная
конструкция),
•
разворот (веерная
конструкция),
•
откидывание.
21.2. Теплообмен естественной
конвекцией.
Элементы, выделяющие теплоту,
называют источниками,
поглощающие – стоками, а сам
процесс передачи тепловой энергии –
теплообменом.
Конвекция связана с движением
жидкой или газообразной среды,
соприкасающейся с твердым телом –
элементом конструкции. Конвекция
заключается в совместном действии
теплопроводности среды, запасания
энергии в ней и перемешивания среды.
Конвекция может быть естественной и
вынужденной. Естественная –
обусловлена движением среды за счет
разности плотностей холодной и
нагретой областей. Вынужденная
(принудительная) – за счет движения
среды под действием вынуждающих
сил.
Конвекция описывается законом
Ньютона-Рихмана:
iC  iC  Si (i  C ),
где:

 iC
 iC
– тепловая
– удельная
тепловая проводимость
(зависит от
теплофизических и
кинематических
параметров среды, а
также от формы,
размеров элементов
конструкции и их
ориентации
относительно потоков
среды);

Si
Gr  Pr  103...5 102 ,
18
 iС  A1  (i  С ) d 5  ,
где
– площадь i-го
тела, находящаяся в
контакте со средой.
При анализе теплообмена
конвекцией используются следующие
критериальные уравнения.
Критерий Нуссельта
A1 – коэффициент,
учитывающий теплофизические
параметры среды и являющийся
функцией температуры (берется из
справочников).
2. Теплообмен плоской и
цилиндрической стенок
 iС  A2   (i  С ) L   K ОР  K Н
14
i  С  (0.84 / L)3
, если
энергия, передаваемая
от i-го тела к среде (и
наоборот);

1. Теплообмен неограниченного
цилиндра (проводной или
струнный монтаж l/d>100)
При ламинарном режиме
движения среды
(1)
иначе
iС  A3  (i  С )1/ 3  KОР  KН
,(2)
где A2,A3 – аналоги A1;
2n
H

1/ 4  при расчете по (1
K H   КОНСТР  ; n  
1/ 3  при расчете по (2
 H НОРМ 
KH
– коэффициент,
учитывающий отношение давление
внутри конструкции к давлению
окружающей среды;
KОР
– коэффициент
ориентации, учитывающий
ориентацию плоскости
относительно потока среды.
Теплообмен конвекцией в
каналах
Nu   i с  L c .
Критерий Грасгофа
Gr  g  C  (i  C )  L3  C2 .
Критерий Прандтля
Pr   C аC .
Критерий Рейнольдса
Re  V  L  c .
Где:



L – определяющий
размер (например,
высота стенки при
продольном обтекании
ее потоком среды);
g = 9.8 м/с2;
C
– коэффициент
объемного расширения
среды [1/K];


C
– коэффициент
Канал – область между двумя
субблоками или субблоком и
стенкой блока или рамы. Канал
считают плоским и его размеры
принимают следующими:
кинематической
вязкости [м2/c];
bЭФ  b -
аC
, где:
– коэффициент
температуропроводнос
ти [м2/c];

V – скорость движения
среды.
Естественная конвекция в
неограниченном пространстве.

VДЕТ
LZ LY
VДЕТ
,  ЭФ   
VДЕТ
LZ LY
– суммарный
объем деталей,
установленных на платах;

LY
– размер платы в
направлении,
,
перпендикулярном
плоскости чертежа.
Коэффициент теплообмена конвекцией
не постоянен по высоте и ширине
канала. В расчетах пользуются
средними значениями, считая  и V
(скорость) постоянными.
Естественная конвекция в
канале. Среда – воздух
Если канал ориентирован
вертикально, скорость движения
воздуха постоянна по длине канала и
bэф  Lz ,Ly ,
, то коэффициент
теплообмена конвекцией не зависит от
координат:
iв  4,12
λв
.
bэф
22.1 Оценка надежности ЭВМ как
сложного объекта.
Сложным называют объект, состоящий
из нескольких одновременно и
совместно функционирующих
отдельных объектов таких, что отказ
одного из них приводит к отказу
сложного объекта. Отказы отдельных
объектов считают независимыми, т.е.
отказ одного из них не приводит к
отказу других. ЭВМ состоит из ряда
устройств или элементов, для которых
указанные допущения, как правило,
выполняются.
Наработка на отказ:
N
T 
T0    i 
i 1  n i 
Где N – число типов элементов в ЭВМ
Ti – наработка на отказ элемента i-го
типа
ni – число элементов i-го типа, отказ
которых приводит к отказу ЭВМ
При экспоненциальном законе
распределения наработки на отказ:
Ti 
1
i
Для ЭВМ рассчитывают среднюю
суммарную интенсивность отказов с
учетом использования входящих в нее
устройств:
Входящих в него устройств:
Ny
TВ   
,
 
i 1 
TВiy - среднее
где:
время восстановления i-го
устройства
При условии среднесуточной и
непрерывной работы ЭВМ в течение
года коэффициент технического
использования:

 Т В Т В.сб  
Т вкл  ТТ .О.Ср.  1  
 ТП 
 Т о Т сб  

КТ . И . 
Т вкл
Где:
Т вкл
i 1
Где:
Ny – число устройств ЭВМ
iy
- их интенсивность
отказов
Ki – коэффициент,
учитывающий
использование устройства iго типа в составе ЭВМ.
В соответствии с теоремой умножения
вероятностей вероятность безотказной
работы:
N
P  t ,    Pi ,ni  t , 
i 1
Где:
Pi,ni – вероятность
безотказной работы в
 t , t    -м интервале
времени n элементов i-го
типа.
При экспоненциальном законе
распределения:
Pi ,ni  t ,   ei ni
Время восстановления ЭВМ как
сложного объекта
оценивают по показателям
надежности
- время работы ЭВМ
в течение суток (24 часа)
ТТ .О.Ср.
- среднесуточное
время технического
обслуживания и подготовки
ЭВМ к работе
ТВ
- среднее время
восстановления
Т о - наработка на отказ
Т сб - сбой ЭВМ
Т В.сб  0,1 Т В среднее время потерь при
сбое
Т П  0, 05  Т вкл
-
среднесуточное время
потерь, связанных с
ошибками оператора
При экспоненциальном
распределении наработки на отказ То
и времени восстановления, Тв
коэффициент готовности:
 1   t 
1 
К Г t  
1    exp  

1  
  To 
Ny
   iy Ki
 iy KiTВiy 
где
•
температуры окружающей
среды;
•
мощности источников и
стоков тепловой энергии;
•
мощности системы
принудительного отвода теплоты;
•
условий теплообмена (к ним
относятся: размеры, форма,
взаимное расположение элементов
конструкции и теплофизические
параметры материалов
конструктивных элементов).
Тепловой режим называется
нормальным, если температура
компонентов не превышает
допустимую. Нормальный режим
обеспечивается при проектировании
разработкой системы отвода тепловой
энергии как для конструкции в целом,
так и для ее элементов.
Теплота может передаваться:
•
кондукцией
(теплопроводностью);
•
конвекцией;
•
излучением;
•
испарительным
охлаждением.
Передача тепловой энергии от
изотермической поверхности i с
температурой i к изотермической
поверхности j с температурой j, и
наоборот, описывается уравнением:
Или
i   j  i  Fij
 j  i   j  Fji ,
(1)
где Фi , Фj - теплота от тел i и j, [Вт],
Fi,j = Fj,i - тепловой (температурный)
коэффициент, иногда трактуется как
тепловое сопротивление.
Структура тепловых коэффициентов
зависит от способа передачи энергии и
условий теплообмена.
23.1 Емкостная составляющая
перекрестной помехи. Способы ее
уменьшения
  TB T
o
При условии, что период приработки
закончился, и при
немедленном
восстановлении
ЭВМ после отказа коэффициент
готовности
КГ 
To
To  TB 
22.2 Тепловой режим конструкции
ЭВМ. Способы переноса тепловой
энергии.
Тепловой (температурный)
режим – пространственно-временное
изменение температуры в КМ. Задачи
его анализа сложны, поэтому будем
рассматривать только стационарный
режим.
Выделяемая активными
элементами тепловая энергия может
передаваться другим, имеющим более
низкую температуру, пассивным
элементам, деталям конструкции и
отводиться в окружающую среду.
Элементы, выделяющие теплоту,
называют источниками,
поглощающие – стоками, а сам
процесс передачи тепловой энергии –
теплообменом.
Тепловой режим зависит от:
R
Rлев Rпр
R
лев
 Rпр 
С  С2  Ссх
Дифференциальное уравнение,
описывающее процесс
наведения емкостной
помехи, имеет вид:
CB
d U a  U ПС 
dt
C
dU ПС U ПС

dt
R
где UпС – емкостная составляющая
перекрестной помехи
В предположении линейно
нарастающего фронта
напряжения в активной
линии
dU a U a

 const
dt
tфU
для 0< t  tфU получим:
U пс 

Ua
t
 R  CB 1  e 
tфU

где Ua, tфU – перепад напряжения в
активной линии и
продолжительность его фронта;
  R  CВ  С2  ССХ 
Знак емкостной помехи совпадает
со знаком
фронта наводящего фронта.
При t = tфU помеха достигает
максимального значения:
U ПС max 

Ua
t
RCB 1  e 
tфU
При t > tфU помеха начинает
уменьшаться за счёт
заряда ёмкостей:
U ПС  U ПС max e

 t tфU


Отрицательная помеха опасна, если
воспринимающих элемент
пассивной цепи находится в
состоянии логической «1»,
положительная – если в состоянии
логического «0».
23.2 Теплообмен кондукцией
Кондукция – передача
теплоты посредством
взаимодействия молекул тела или
соприкасающихся тел. Если два
участка тела или соприкасающиеся
тела имеют разную температуру,
возникает поток теплоты в сторону
меньшей температуры.
Кондукция может происходить
в жидкой или газообразной среде, а
также между телом и средой, если
нет движения среды или между
телом и средой есть прослойка –
пленка неподвижной среды.
Рассмотрим кондукцию на
примере однородного твердого тела.
Теплообмен кондукцией
описывается законом
Фурье
d
Фy  l   
dt
:

Где
Фy  l  
Фl  Вт 

Sl  м2 
-
удельная тепловая энергия
S – площадь изотермической
поверхности
l – нормаль к изотермическим
поверхностям
 Вт 
 
 м  К 
lj
1 l
dl
 li Sl
lj
1 
i   j   l dl
 li Sl
Fi , j 
i   j
i
,
lj
l
1
Fi , j 
dl.

   i li Sl
Если Фi = Фj = Фl =const, то Fi,j = Ri,j
– трактуется как тепловое
сопротивление:
Ri , j 
1
lj
1
S
li
dl.
σi , j 
1
.
Ri , j
24.1 Показатели надежности
восстанавливаемых ЭВМ
Восстанавливаемые ЭВМ
характеризуются
следующими величинами:
1. Параметром потока отказов.
2. Наработкой на отказ.
3. Наработкой на сбой.
4. Вероятностью безотказной работы.
5. Средним временем восстановления.
6. Коэффициентом технического
использования.
7. Коэффициентом готовности.
1.Параметр потока отказов (t) –
плотность вероятности
возникновения отказов в
данный
момент времени, статистически
определяемый как
 t  
24.2 Расчет теплового
сопротивления корпуса
ИС-каркаса блока.
1


(средняя):
N
To  
i 1
ti ,r
Nr
,
где ti , r - наработка на r-й отказ i-й
ЭВМ.
Nr
- число отказов
N ЭВМ.
3. Наработка на сбой Tсб – среднее
значение наработки ЭВМ
между сбоями.
Статистически определяют по
предыдущей формуле, где
Nr
ti , r
- число сбоем N ЭВМ,
- наработка на r-й сбой i-й ЭВМ
4. Вероятность безотказной работы
P(t,) – вероятность
отсутствия отказа в
интервале
Времени (t+). Данный показатель
используется редко.
5. Среднее время восстановления
Тв – мат. ожидание
времени восстановления
работоспособности ЭВМ,
статистически
определяемое, как

l
Величина, обратная тепловому
сопротивлению, называется
тепловой проводимостью:
T0 
Статистически наработка на отказ
- удельная тепловая
энергия
Проинтегрировав, получаем:
i   j 
приработки:
m
i
i 1
m
Tв  
где
i
2. Наработка на отказ Tо –
отношение наработки
восстанавливаемой ЭВМ к
мат.
ожиданию числа ее отказов в течение
этой наработки. После
окончания периода
зазор
з  1, 0
Вт
мК
Ширина и толщина теплопроводящей
зоны:
bш  0, 02мhш  0,5 103 м
l1  0,1м
 l2  0,05мbk  1,5 103мhk  6 103 мlk
материал шины - медь, коэффициент
теплопроводности
ш  400
Вт
мК
материал каркаса – сталь,
коэффициент
теплопроводности
ст  45,5
Вт
мК
удельная тепловая проводимость
контакта шина-каркас (медь-сталь)
 т1   к1  1, 2 104
Вт
м2  К
удельная тепловая проводимость
контакта каркас-корпус блока (стальсталь)
- время, необходимое для
Вт
 т 2   к 2  1,5 10 2
обнаружения и устранения
м К
i-го отказа.
Решение:
m – число отказов.
1. Тепловое сопротивление зазора
6. Коэффициент технического
h
0.4 103
K
Rз  3 
 3.5
использования Кт.и. –
6

S
1

18.5

6.2

10
Вт
3 k
отношение мат. ожидания
2. Найдем площадь поперечного
времени
сечения теплопроводящей шины и
работоспособного состояния ЭВМ к
определим тепловые сопротивления:
сумме мат. ожиданий
времени работоспособного
Sш  bш hш  0.02  0.5 103  105 м 2
состояния, тех. Обслуживания и
ремонтов за некоторый
l
0,1
К
Rш1  1 
 25
период эксплуатации.
5
N
tip
i 1
NTэкс
КТ . И .  
, где tip -
время пребывания i-й ЭВМ
в работоспособном
состоянии,
N – число наблюдаемых ЭВМ, Тэкс –
продолжительность
эксплуатации.
N
1 N

7. Коэффициент
готовности Кг – это
m
t


t

mi  t  




i

вероятность
того, что ЭВМ
N t  i 1
i 1

где mi(t), mi(t+t) – число отказов
каждого из образцов ЭВМ в
моменты времени t и t+t
соответственно.
Пусть площадь основания корпуса ИС
Sк=18,5·6,2·10-6м2;
толщина зазора между корпусом ИС и
шиной hз=0,4·10-3м;
Коэффициент теплопроводности
материала, заполняющего
окажется в
работоспособном состоянии в любой
момент времени, кроме
периодов, в которые ее
использовать не планируют.
Статистически
N
tip
i 1
NTраб
КГ  
где
Tраб -
продолжительность работы,
состоящая из
чередующихся
интервалов времени работы и
восстановления
3
Rк 2 
1
1
К

 0,555
 к 2 Sк1 1,5 103  6 103  0, 2
Вт
6. Находим
R  Rк1  Rcт  Rк 2  0,7  0,0275  0,555  1,28
К
Вт
7. Определим тепловое
сопротивление ИС-корпус
блока:
R  12, 6
К
Вт
25.1 Виды отказов из-за
механических
взаимодействий.
Определение вида
 0,2м вибрационного
воздействия и его свойств,
влияющих на
работоспособность ЭВМ.
Основные виды отказов:
•
замыкание
электросоединений,
например, при амплитуде
колебаний печатной
платы превышающей
толщину зазора будет
происходить соударение
их компонентов и, как
следствие, короткое
замыкание проводящих
элементов;
•
отрывы паяных и
сварных соединений
выводов микросхем,
проводов не
закрепленных жгутов;
•
отслаивание и затем
обрывы проводников
печатных плат;
•
нарушение
контактирования в
разъемных соединителях;
•
отвинчивание крепежных
элементов;
•
разрушение несущих
деталей.
При снятии нагрузки могут
устраняться замыкания
проводящих элементов и
восстанавливаться контакты в
разъемных соединителях
воздействий
 ш Sш 400 10
Вт Среди механических
основными являются
вибрации в связи с
l
0,05
К
Rш 2  2 
 12,5
длительностью
5
 ш Sш 400 10
Вт влияния, знакопеременностью
нагрузки и широким
диапазоном частот.
Основные требования:
•
вид и параметры
вибрации должны в
максимальной степени
соответствовать условиям
работы;
3
5 2
Sк1  bш hк  0.02  6 10  12 10 м
•
форма представления –
наиболее просто
реализовываться и
1
1
К
Rк1 

 0, 7
описываться
 к1Sк1 1, 2 104 12 105
Вт
математическим
аппаратом, позволяющим
4. Находим тепловое сопротивление
теоретически оценивать
стенки каркаса субблока:
конструктивные решения
с точки зрения их
bк
1,5 103
К
Rст 

 0,0275
надежности.
 ст hк lк 45,5  6 103  0, 2
Вт
Вид и параметры вибрационного
воздействия зависят от:
5. Считая половину площади контакта
•
количества и режимов
каркаса субблока с корпусом
работы источников
возбуждения;
равной Sк 2  hк lк ,
•
упругих свойств
подсчитаем тепловое
конструкции и т.п.
сопротивление контакта:
3. Рассчитаем половину плозади
контакта теплопроводящей
шины с каркасом субблока и
определим тепловое
сопротивление контакта
шина-каркас:
Вибрационное воздействие –
стационарный эргодический
случайный процесс с
постоянным энергетическим
спектром в рабочем
диапазоне частот и
нормальным
законом распределения
амплитуд.
Вероятностные характеристики его
определяются при
статической обработке
некоторого количества
реализации записи
колебаний в реальных
условиях функционирования
аппаратуры.
Отказы из-за
вибраций зависят
от
 значения
нагрузки;
 ее частотных
свойств;
 длительности
воздействия
Для случайного
воздействия от
 первой
функции
 распределения
вероятностей;
 спектральной
плотности
мощностей;
 времени
Первая функция распределения
вероятностей стационарного
эргодического процесса Wg – это
математическое ожидание
относительной продолжительности
интервалов времени, в течении
которых значение воздействия g
(величина виброускорения, м/с2)
меньше или равно заданному g0.
Wg характеризует
интенсивность и продолжительность
действия на конструкцию
инерционных сил, вызванных
вибрацией.
Спектральная плотность
мощностей случайного процесса
определяет плотность распределения
дисперсии по частотам непрерывного
спектра и характеризует
интенсивность и частотные свойства
вибронагрузки.
25.2 Определение понятия
«надежность». Основные
свойства надежности.
Надёжность – это способность
объекта сохранять во времени в
установленных пределах значения всех
параметров, характеризующих
способность выполнять объектом
требуемые функции в заданных
режимах и условиях применения,
технического обслуживания, ремонтов,
хранения и транспортирования
Свойства ЭВМ с точки зрения
надежности:
1. Безотказность – свойство
ЭВМ непрерывно сохранять
работоспособность в
течение некоторого
времени.
2. Долговечность – свойство
ЭВМ сохранять при
выполнении технического
обслуживания и ремонтов
работоспособность до
наступления предельного
состояния.
3. Ремонтопригодность – это
приспособленность ЭВМ к
предупреждению и
обнаружению причин
возникновения отказов и
устранения их путём
проведения ТО и ремонта.
4.
Сохраняемость – это
свойство ЭВМ непрерывно
сохранять исправное и
работоспособное состояние
в течение и после хранения
и/или после
транспортирования.
Количественно указанные
свойства, составляющие надежность
ЭВМ, характеризуются единичными
(ТЭЗ и ЭВМ) или комплексными
показателями надежности (ЭВМ
исистемы).
26.1 Соотношения между
емкостной и индуктивной
составляющих
перекрестной помехи
Вопрос о соотношении емкостной и
индуктивной составляющих
перекрестной помехи
важен при выборе способа ее
уменьшения.
Считая Iai=Ia0=const, получим
соотношение емкостной и
индуктивной составляющих
перекрестной наводки
U a tфI CB 0
UC

Rвых
U L N a I a 0tфU LB 0
Учитывая, что для схем ТТЛ
U a tфI
I a 0tфU
 103 ,
окончательно получаем:
U C CB 0 Rвых

103
U L LB 0 N a
Рассмотрим это соотношение для
помехи отрицательной
полярности. Тогда Rвых=
Rвых(1)=100…200 Ом.
Все линии связи разделим на два
класса:
•
низкоомные (Z0<75 Ом) –
полосковые линии связи;
•
высокоомные (Z0  75 Ом)
– все остальные.
Для низкоомных линий связи Св0/Lв0
 2,510-3 Ф/Гн.
Для высокоомных линий связи
Св0/Lв0  10-4 Ф/Гн.
Тогда при Nа=10 получим:
•
для низкоомных линий
связи
•
для высокоомных линий
связи
при Nа = 1 получим:
•
для низкоомных линий
связи
•
для высокоомных линий
связи
26.2 Оценка показателей
надежности
конструктивных модулей.
Исходные данные:
•
схема электрическая
принципиальная с
указанием типов деталей,
входящих в нее;
•
режимы работы всех
деталей (электрические,
механические,
климатические);
•
интенсивности внезапных
отказов для всех
компонентов
ненадежности;
•
среднее время безотказной
работы и дисперсия для
элементов, подверженных
постепенным отказам.
Для КМ различных уровней
оценивают следующие
показатели надежности:
•
 – для субблоков;
•
 и tср – для блоков
невосстанавливаемых ЭВМ;
•
, T0 и Tв – для блоков и
рам восстанавливаемых
ЭВМ;
•
P(t) и Kг – для
восстанавливаемых ЭВМ
(P(t) – для
невосстанавливаемых ).
По результатам анализа влияния на
работоспособность КМ
входящих в него
элементов/деталей
составляют структурную
схему надежности. Элемент
включают в нее, если его
отказ приводит к отказу КМ.
Например, суммарную интенсивность
отказов субблока
рассчитывают по формуле:
N
   i ni
, где N – число типов
i 1
элементов в структурной
схеме надежности,
.
Интенсивность отказов
комплектующих элементов,
являющаяся их исходной
характеристикой надежности, зависит
от режима работы и степени тяжести
таких внешних воздействий, как
температура, тепловой удар,
влажность, вибрации, линейные
ускорения, удары, радиация и т.п.:
  0 K1K 2 ...K n , где 0 -
интенсивность отказов элемента при
нормальных условиях (Т=298+К,
относительная влажность (65+15)%,
коэффициент электрической нагрузки
Кн=1) К1, К2, ..., Кн –поправочные
коэффициенты, учитывающие режимы
работы и условия эксплуатации.
На начальных этапах
проектирования влияние внешних
воздействий на интенсивность отказов
для ЭВМ различного назначения
можно учитывать с помощью
интегрального поправочного
коэффициента K = /0.
Значения поправочного коэффициента
K для аппаратуры
различного назначения
Поезд
Автомобиль
Корабль
Наземная
аппаратура
Лабораторные
Условия
59
50
40
20
1
i 1
Амплитуды
гармонических
составляющих и их частоты
определяют, приравнивая моменты
чётного
порядка
и
кривые
спектральной плотности мощности
случайной и полигармонической
вибрации.
Частота
каждой
гармоники должна меняться в
wi 1  wi  wi 1 .
Условия эквивалентности являются
довольно строгими.
интенсивность отказов и количество
элементов i-го типа.
Современны 700
е образцы 400
ракет
100
Ранние
образцы
68
ракет
Самолет
Аппаратура
для
высокогорно
й
местности
n
g (t )   g i  sin wi (t ) .
диапазоне
i иni -
1
Наработка на отказ: Т 

27.1.
Способы
замены
широкополосной
случайной
вибрации.
Причины замены:
•
теоретическая и
экспериментальная
оценки воздействия на
конструкцию
широкополосной
случайной вибрации
представляет
определенные трудности;
•
в ряде случаев
непосредственно на КМ
воздействует не
широкополосная, а
узкополосная вибрация.
Известны три способа замены:
1) Представление стационарной
случайной
вибрации
полигармоническим
процессом
2)
Замена
широкополосной
случайной вибрации узкополосным
случайным
возмущением
с
переменной
средней
частотой
спектра. Этот вариант замены
основан на том, что реакция
системы
на
широкополосную
вибрацию является узкополосной
вибрацией с релеевским законом
распределения пиков ускорений.
Такая замена
не учитывает
одновременного воздействия всех
форм колебаний и потому может
быть
рекомендована,
когда
определена полоса частот, в которой
возможно разрушение конструкции.
3) Представление стационарного
случайного
воздействия
с
постоянной
спектральной
плотностью в виде гармонической
вибрации переменной частоты.
Приравнивая среднеквадратичное
значение реакции системы на
случайную
и
гармоническую
вибрации, определяют амплитуду
гармонической
вибрации.
Например, для системы с одной
степенью свободы это равенство
будет
иметь
вид:
3(0Q / 2) S0  2  2Q ГАРМ
1
,
откуда
Ag  2 ГАРМ  3(0 S0 ) /(2Q)
, где
0 -
резонансная частота
конструкции;
конструкции,
Q
– добротность
воспринимающей
вибрационное
воздействие;
S0 -
спектральная плотность дисперсии
 ГАРМ -
возмущения;
среднеквадратичное
значение
амплитуды
гармонического
виброускорения;
Ag -
амплитуда
гармонического колебания.
1
2
Для сложной конструкции, имеющей
несколько резонансных частот, трудно
учесть одновременное воздействие
всех форм колебаний, поэтому для
упрощения
расчетов
вводят
эмпирическое
соотношение
Q  5  0, 250 .
Такой
вид
испытаний
на
гармоническую
вибрацию с переменной частотой
широко распространен на практике и
называется испытанием по методу
качающейся частоты.
27.2. Виды, объекты применения
БИС
и
основные
задачи
конструктора.
Для построения ЭВМ разных классов
используют:
•
БИС
микропроцессорных
комплектов, настраиваемых
программным способом –
для контроллеров устройств
в/в и микроЭВМ;
•
ПЛИС – для контроллеров и
спецЭВМ;
•
полузаказные
БИС
на
основе базового матричного
кристалла
(БМК)
матричные БИС (МаБИС) –
для
центральных
обрабатывающих устройств
и
систем
средней
производительности;
•
заказные
БИС,
обеспечивающие
предельные для данного
уровня
технологии
технические характеристики
– для ЭВМ наивысшей
производительности;
•
СИС
со
структурой
пассивных компонентов –
для ЭВМ всех классов.
Кристалл МаБИС – БМК, представляет
собой многослойную пластину, на
которой реализованы несоединенные
активные и пассивные компоненты,
сгруппированные, как правило, в
топологические
ячейки
(ТЯ).
Определена
библиотека
функциональных элементов (БФЭ).
Для
ее
элементов
существуют
фотошаблоны – эталоны металлизации
соединения компонентов.
Отсюда особенность разработки и
использования указанной элемент-ной
базы – более высокий уровень
интеграции работы конструкторов и
специалистов
в
области
микроэлектроники .
Для МП, заказных БИС и СИС
основные задачи – разработка
корпусов, элементов разъемных и
неразъемных межсоединений.
Для МаБИС – разработка корпусов,
элементов разъемных и неразъе-мных
межсоединений и задачи схемнотопологического конструиро-вания:
•
компоновки и размещения
–
при
отображении
элементов схемы в ТЯ;
•
трассировки
–
при
соединении их выводов.
Результат
–
фотошаблоны
межсоединений ФЭ.
28.1.
Математическая
модель
конструкции
ЭВМ
с
сосредоточенными параметрами.
Движение
модели
описывается
системой
обыкновенных
дифференциальных
уравнений,
количество которых определяется
числом степеней свободы расчетной
модели:
MX  CX  BX  E (t ) ,
где
M,C,B – соответственно матрицы
коэффициентов
инерции
(масс),
жесткостей,
коэффициентов
демпфирования; Х – обобщенная
координата; E(t) – n-мерный векторстолбец обобщенных возмущающих
сил. Полученную систему решают:
при небольшом числе степеней
свободы – интегрированием, при
значительном – методом цепных
дробей и матриц переноса.
Частотная характеристика:
1) для одномассовой (элементарной
системы)
H ( j )  1/(1  Em 2 ) ,
E  1/(c  bj )
где
•
ужесточение требований к
постоянству
волнового
сопротивления линий связи
(в связи с переходом к
работе
в
гигагерцевом
диапазоне).
Наиболее существенная проблема –
обеспечение требуемого количества
внешних выводов при высокой их
плотности. Плотность контактов
оценивается как отношение их
количества к площади платы, которую
занимает корпус вместе с выводами.
Требуемое кол-во внешних выводов
оценивается по закону Рента: Nв =
N
5·103
Nв
175..245 250..350
104
105
1000
Необходимо проверить выполнение
критерия
виброустойчивости
для
микросхемы.
Характеристика виброустойчивости:
и – среднеквадратичное значение
узкополосной
вибрации
при
испытаниях; tи – время испытаний.
1. Исследуя формы главных колебаний
определяем координаты точек платы
(центров установочных позиций
микросхем) наиболее опасные с точки
HC ( D) ( j)  H1H2(3) / 1  (m2 / m1 )H2 (H1 1)  (m3 / m1 )Hзрения
3 ( H1 1)передачи виброускорения.
, где H1 , H 2 , H 3 - частотные 2. Получаем модуль частотной
характеристики () для одной из этих
характеристики
элементарных точек.
вибрационных систем
3. Определяем среднее квадратичное
значение реакции конструкции на
широкополосную вибрацию:
 B


 H
половины площади кристалла и
начинают определять их основные
характеристики (площадь кристалла,
задержку
переключения,
помехоустойчивость и др.).
•
29.1. Оценка качества конструкции
как механической системы.
Конструкция – совокупность твердых
тел,
соединенных
упругими
механическими
связями
с
сосредоточенными и распределенными
параметрами.
Известны
характеристики этих связей, в том
числе формы главных колебаний
платы, составляющие полную систему.
Получена частотная характеристика
H(j).
Входное воздействие –
широкополосная случайная вибрация,
ее характеристики: S, [н, в], tвозд.
P  
Задачи
конструктора
при
проектировании МП, заказных БИС
и МаБИС:
С повышением уровня интеграции и
скорости переключения возрастает
влияние конструктивного оформления
на электрические и скоростные
характеристики как самих элементов,
так и аппаратуры на их основе. Для
БИС при количестве вентилей больше
103 линии связи занимают более
•
плоские
корпуса
с
выводами
с
четырех
сторон;
безвыводные
корпуса
(носители кристаллов);
корпуса
с
матрицей
выводов.
р
N , где  = 2,5..3 – среднее
количество
выводов
элемента
(вентиля) схемы; p = 0,5..0,75 –
показатель Рента.
2) для разветвленной трехмассовой
системы
28.2.
Основные
проблемы
конструирования и применения
БИС.
Повышение
плотности
упаковки
компонентов на кристалле, объемов
реализуемых на них схем и тактовой
частоты переключения элементов
приводит
к
возникновению
следующих проблем:
•
увеличение числа внешних
выводов БИС и субблоков;
•
повышение
плотности
упаковки компонентов в
БИС и БИС в субблоках для
снижения
потерь
быстродействия
из-за
задержек сигналов;
•
увеличение
удельной
выделяемой
тепловой
энергии;
•

S ( ) 2 ( )d  / 


4. Проверяем выполнение условий:
  , t
t .
р
и
возд и
29.2. Виды корпусов БИС.
Конструкция корпусов БИС должна:
•
удовлетворять
поставленным требованиям
по габаритам;
•
обеспечивать эффективный
отвод тепловой энергии,
выделяемой кристаллом;
•
обеспечивать
его
герметизацию и защиту от
излучений;
•
иметь высокую плотность
контактов.
В
разработке
многоконтактных
корпусов для БИС и МаБИС с
произвольной логикой выделяют три
направления:
Керамические
корпуса
(окись
алюминия):
Достоинства:
низкое
тепловое
сопротивление;
хорошая
герметизация; высокая плотность
выводов.
Недостатки:
высокое
значение
относительной
диэлектрической
проницаемости
(около 9); высокая стоимость;
большая масса.
Для
безвыводных
носителей
кристалла
существенно,
что
температурный
коэффициент
расширения керамики значительно
меньше, чем у обычных материалов
печатных плат (можно использовать
платы из специально разработанных
материалов, например, медь – инвар
– медь, но при этом увеличивается
масса субблока).
Пластмассовые
корпуса
(стеклоэпоксидные):
Достоинства: низкая стоимость;
малая величина относительной
диэлектрической
проницаемости,
что обеспечивает более низкие, чем
у керамических, значения емкости
выводов и более высокие значения
максимальных токов; возможность
изготовления
корпусов
безвыводных носителей кристалла
групповым методом. Безвыводные
носители кристалла термически
согласованы с печатной платой.
Недостатки:
высокое
тепловое
сопротивление; неустойчивость к
воздействию влаги (кристалл с
приваренными к нему выводами
можно
защитить
слоем
кремнийорганического соединения
RTV).
30.1. Расчетная модель конструкции
с
сосредоточенными
и
распределенными параметрами.
•
обеспечивает легкий доступ где a,b – длины сторон платы,
для тестирования узлов в
 k ,m - коэффициент зависящий от
центральной
части
S
кристалла (лента-носитель с способа крепления платы.
приведенный коэффициент
матрицей выводов).
Откуда
в
общем
случае
жесткости;
n
При ширине проводников 50 мкм,
cos
z cos
y
 k ,m   (k )   (m )
д
2
расположенных с шагом 100 мкм, W ( z, y)  k
sin
a sin
b
, m0
э i
iпр
i i
количество выводов на двухслойной .
S
ленте-носителе – 320.
Собственные частоты в общем виде:
приведенный коэффициент
Внешние соединения в виде тонких
демпфирования.
медных выводов припаивают к
э
i
i
i
Здесь mэ – масса элементарной керамическому
основанию
или
площадки упругого тела (платы); S = приваривают к металлизированным
(z, y);
i – частота главного выводам, напыленным на него. По где
постоянные
iмере увеличения количества внешних
колебания;
i – логарифмический
выводов и их плотности усложняется коэффициенты,
i , i - зависят от
декремент затухания i-го главного задача правильного совмещения и
способа
крепления
платы.
колебания, деленный на 2. Теперь обеспечения копланарности выводов.
3
уравнение движения упругой системы Решить
эту
задачу
позволяет
D0  E0 h / 12(1  2 )  (пакета плат) в i-м главном колебании штамповка выводной рамки по
будет (а):
квадрантам с полосками 1 и 2, которые жесткость изгиба платы, E0- модуль
..
.
..
удерживают
выводы до окончания
-коэффициент
2
2
2
ui (t )  mэ fi (S )dS  ui (t )i mэ fi (S )dS сборки.
ui (t )2 ii mэ fi 2 (S )dS   mэ xI fi (S )dS упругости,
Пуассона материала платы.
S
S
S
S
Такую рамку можно использовать и
Реакция упругой системы (платы) на
mэ  ρh / g  GM N / (abg ),
для пластмассовых корпусов.
основание
h – толщина платы;  – плотность

.
31.1.
Частоты
и
формы материала платы;
Rпр   mэ  fi 2 (S )dS[ui (t )  i2  2 ii ui ].
собственных колебаний печатной G
i 1
– вес микросхемы; N –
S
M
платы как тонкой пластины.
количество
микросхем платы.
Сопоставление
способов
ее
Тогда дифференциальное уравнение
Полная
система
собственных
крепления
граничным
условиям.
движения одномассовой системы
Формы главных колебаний функций получена только для
будет (б):
количества
платы
как
тонкой
пластинки ограничен-ного

исследуя
уравнения ее сочетаний свободного, опертого и

m1xI (t )  c1xI (t )  b1xI (t )   mЭ  fi2 (S )dS ui (t )i2  2 iопределяют
u
(
t
)

c
x
(
t
)

b
x
(
t
)
i i  1 0
1 0
свободных
колебаний. Будем считать зажатого краев. Таким образом,
i 1
S
частотной
плату
изотропной.
Тогда уравнение ее получение
.
свободных
колебаний
имеет характеристики – сложная задача.
Решая систему (а) и (б) получаем
различных
сочетаний
следующий
вид: Для
частотную характеристику:
указанных
граничных
условий
4
4
4
2




D0 ( 4  2 2  4 )  mЭ 2  0 получена формула для первой
z
z y
y
t
собственной
частоты:
(1),
2
kiупр  i2  mэ fi 2 (S )dS 
 2   m f (S )dS 
k
ω  β π (a/b) D/m ,
β
c1 , b1
- жесткость и коэффициент
демпфирования
амортизаторов
в
главном геометрическом направлении;
m1
- масса корпуса ЭВМ и всех
жесткосвязанных с ним элементов;

m2 - суммарная масса плат.
Разобьем модель на два участка: плата
с опорным контуром – упругая
система; твердое тело с нежесткой
механической
( c1 , b1 )
связью
–
одномассовая система. Рассмотрим
отдельно эти участки. Движение платы
будет совершаться под действием
кинематической возмущения за счет
движения ее опорного контура по
xI (t ) и
закону
RПР
силы
β 
(приведенная реакция системы), а
движение твердого тела – по закону
x0 (t ) и силы RПР .
Представим
относительное
перемещение платы в виде ряда по
формам ее главных колебаний:

W ( z , y, t )   ul (t ) f l ( z , y ) ,
lI

xII ( z , y, t )  xI (t )   ul (t ) f l ( z , y )
l I
, где
xI (t )
- переносное движение
упругой системы как твердого тела
вместе с ее опорным контуром;
ui (t ) -
перемещение точки упругой
системы в i-м главном колебании
относительно ее недеформированного
fi ( z, y) -
состояния;
30-2.
Способы
выполнения
соединений в корпусах БИС.
Внутренние
соединения
между
контактами кристалла и внешними
выводами выполняют:
•
проводным
монтажом
(выводы
кристалла
располагаются
по
его
периферии);
•
лентой-носителем.
.
где
miпр   mэ fi 2 (S )dS  прив
S
еденная масса упругой системы в i-м
главном колебании;
myпр   mэ fi (S )dS  прив
S
еденная масса упругой системы при ее
переносном движении по закону
xI (t ) ;
1  0,159( K / a ) D / mЭ
,
где
K -
коэффициент,
зависящий от a,b и способов
крепления сторон платы.
Способы
крепления
плат
с
точечным зажатием (крепление
болтами/шпильками через втулки)
не позволяют найти полную
систему собственных функций и,
следовательно,
частотную
характеристику расчетным путем.
Для них можно определить только
отдельные собственные формы fi и
собственные
=i2.
i
значения
Например, для платы
у
ui (t )  mi пр  x I (t )  mпр
 ui (t )  kiупр  ui (t )  kiдпр  0, Преимущества
..
. Решение этого уравнения – формы и
частоты собственных колебаний плат,
которые
должны
удовлетворять
конкретным
краевым
условиям.
Например,
для
зажатого
края
граничные условия получают из
условия равенства нулю прогиба и
угла наклона касательной:
форма i-го
главного колебания упругого тела
(нормальная функция).
Основное положение – главное
колебание упругого тела может
совершаться независимо от других его
колебаний. Следствие – движение
системы в каждом главном
направлении можно рассматривать
отдельно. Для i-го главного колебания
упругой системы:
..


  ( A cos t  B sin t ) ( z, y )

тогда

сборки на лентуноситель:
•
легко автоматизируется;
•
подходит для группового
монтажа,
обеспечивая
копланарность выводов;
•
позволяет
проводить
проверку до сборки в
корпус;
•
обеспечивает
высокую
плотность межсоединений
(около 100 контактов на 1
см2);
•
позволяет
создавать
корпуса малой высоты;
В теории пластин и оболочек
исследованы
платы,
граничные
условия для которых являются
сочетанием зажатого, опертого и
свободного краев. Эти способы
крепления
позволяют
получить
полную систему собственных функций
и,
следовательно,
частотную
характеристику. Поскольку область
платы прямоугольна, формы главных
колебаний
определяют
из
ортогональной
в
прямоугольнике
тригонометрической системы:

sin
z cos
y
 (k )   (m )
cos
a sin
b
Тогда
функции:
fi  f k ,m
,
собственные
cos
z cos
y
  k ,m   (k )   (m )
sin
a sin
b
f1  a1Q( z, y )sin  z
1 

2a 2
D
mЭ
a
27  4 2  8
7 4
4
f3  a3Q( z, y ) cos  z
3 

2a 2
D
mЭ
a
23  4 2  8
3 4
4
31.2. Особенности конструирования
ЭВМ на микропроцессорах.
Учитывая структурные особенности
микропроцессорных ИС и БИС, линии
связи между субблоками необходимо
группировать
в
совокупность
упорядоченных каналов – шины.
По функциональному назначению
шины делят на:
•
ввода-вывода;
•
доступа к памяти;
•
внутренней
обработки
данных;
•
подвода питания и «земли».
Топологическая конфигурация шин
определяется способом монтажа, от
которого
может
зависеть
эффективность их работы.
Особенности
конструктивной
реализации схем на МП:
•
шины
должны
незначительно отличаться
по длине (неравенство длин
может
привести
к
рассогласованию сигналов);
•
конфигурация
шин
и
конструкция
модуля
должны
обеспечивать
простоту включения в него
и подключения к шинам
дополнительных субблоков.
32.1. Исследование печатной платы
по неполной системе собственных
функций.
При неполной системе собственных
функций теоретически можно:
•
определить
координаты
наиболее опасных мест
установки микросхем;
•
использовать
такой
критерий оценки качества
платы, как несовпадение
резонансных частот упругих
систем конструкции;
•
сформулировать
рекомендации
по
изменению
способов
крепления
с
целью
увеличения
значений
первых резонансных частот
и,
следовательно,
уменьшения коэффициента
усиления вибраций.
Проблема
локализации
наиболее
опасных точек платы сводится к
нахождению экстремумов функций
двух независимых переменных –
координатных функций. Экстремум
находят
по
следующей
схеме.
Определяют
первые
частные
производные координатной функции
f / z и f / y . Решают систему
f / z  0 и
уравнений
f / y  0 .
Полученные систему решений (z1,y1),
(z2,y2)
подставляют
во вторые
производные координатной функции:
A   2 f / z 2 ;
B   2 f / zy ;
C   2 f / y 2 .
Затем
составляют
определитель:
2 f 2 f  2 f 

 AC  B 2  2 2  

B C
z y  zy 
A B
  0 , то
f ( z , y ) для системы
Если
(z1,y1)
имеет
 f / z  0
2
2
 f / z  0 .
2
2
2
z  z1
y  y1
функция
значения
максимум
при
и минимум при
Если
  0,
то
функция не имеет экстремумов.
Например, точки экстремума функции
имеют
f I (S )
(  a / 2, b / 2 ).
координаты
32.2.
Методы
и
элементы
электрических соединений БИС.
Методы монтажа корпусов.
Безвыводные носители кристаллов и
корпуса с матрицами выводов при
условии обеспечения температурного
режима можно устанавливать на плате
вплотную (с учетом технологических
зазоров).
Для
электрического
соединения
выводов
БИС
применяют
неразъемный и разъемный монтаж.
Неразъемный монтаж:
•
корпуса
с
матрицей
выводов монтируют на
платах
со
сквозными
металлизированными
отверстиями,
выводы
припаивают расплавлением
дозированного припоя или
«волной»;
•
корпуса с выводами с
четырех
сторон
и
безвыводные
носители
кристаллов монтируют на
поверхность.
Достоинства технологии монтажа на
поверхность (ТМП):
•
обеспечивает возможность
автоматизации сборки при
одновременном повышении
надежности;
•
допускает
двусторонний
монтаж, что повышает
плотность упаковки.
Недостатки ТМП:
•
трудность освоения новых
методов пайки (оплавление
полуды);
•
сложность
испытания
готовых узлов;
•
критичность
паяного
соединения к механическим
воздействиям.
Методы оплавления полуды
Конденсационная пайка:
•
собранную
плату
помещают в атмосферу
насыщенного
пара
специальной нейтральной
жидкости
(Fluorinert),
температура
которой
несколько
выше
температуры расплавления
припоя;
•
пар конденсируется на плате
и отдает ей скрытую
энергию преобразования;
•
сборка
нагревается
до
температуры
кипения
жидкости
и
припой
расплавляется.
Достоинства метода:
•
быстрый и равномерный
нагрев;
•
точность
температурного
режима;
•
чистота среды.
Недостатки:
•
сложность
и
высокая
стоимость оборудования;
•
высокая энергоемкость.
Инфракрасная пайка.
Достоинства:
•
простота подбора режима
пайки и, следовательно,
высокое
качество
соединения и меньший
процент брака по сравнению
с конденсационной пайкой;
•
меньшая энергоемкость.
Основной
недостаток
–
неравномерность нагрева.
Разъемный соединитель.
С ростом уровня интеграции
элементной базы все более серьезное
значение приобретает основной
недостаток неразъемного монтажа –
сложность, а порой и невозможность
демонтажа для ремонта. Улучшать
ремонтопригодность и снижать
эксплуатационные затраты можно за
счет использования разъемных
соединителей первого уровня.
Панелька под корпус с матрицей
выводов – слева на рис.
Монтаж разборного корпуса на
плату – в центре на рис.
Это перспективный способ,
обеспечивающий высокую
ремонтопригодность БИС и
аппаратуры на их основе. Способ
устраняет пайку и приварку выводов
кристалла и корпуса. Эластомерная
пластина создает усилие
контактирования, защищает от
воздействия окружающей среды и
снимает проблему термического
рассогласования корпуса (кристалла) с
печатной платой.
Многоконтактный
соединитель
прижимного типа – справа на рис.
Используется
для
монтажа
многокристальных
модулей
и
корпусов с матрицей выводов с
керамическим, стеклоэпоксидным или
иным
основанием.
Ячеистый
эластомер за счет низкого уровня
релаксации напряжений обеспечивает
стабильное во времени малое значение
контактного
сопротивления.
Количество контактов: ~ 400.
33.1. Анализ способов крепления
плат.
Пример
способа,
порождающего условие зажатого
края. Рекомендации по улучшению
качества несущих конструкций.
Анализ способов крепления
плат:
Если
не
получены
полные/неполные
системы
собственных функций (главных
колебаний), то важную роль для
оценки конструкции платы как
нежесткой механической системы с
распределенными
параметрами
приобретает такой критерий как
значение первой
собственной
частоты (если возможно, то и более
высоких).
Для
плат с
точечным
креплением:
1) 4 точки крепления :
m,n 
, где
 (1   2 )
2
b
2
(n2 2  m2 )
 b/a
D
mЭ
2) 5 и 6 точек крепления:
1 

2
(A
1
D
)
2
b
mЭ
4
при
a  b2
4
A  2 при n=6.
a
A
2
,
где
n=5,
Оценим эффективность двух
видов граничных условий –
зажатый край и точечное крепление.
Характеристики платы: a=b=10см,
D=60Нсм, mэ=0,6 10-6 кг/см2.
Тогда для указанных и
некоторых других вариантов
крепления получим:
Для улучшения качества несущих
конструкций с точки зрения
передачи механических воздействий
можно рекомендовать:
•
увеличение жесткости
платы субблока;
•
создание условий
зажатого края по краевым
полям платы;
•
введение опорных
поверхностей по контуру
платы и в ее внутренней
области в виде накладок
или рамок (прилегание
плат по этим
поверхностям при сборке
в пакет дает условие
зажатого края);
•
увеличение точек
крепления по контуру
платы;
•
установку
дополнительных
точечных упоров во
внутреннюю область
(контактирование упоров
с корпусом при сборке в
пакет дает точечное
зажатие).
Эти же меры приводят к
уменьшению коэффициентов
усиления виброускорения.
33.2.
Внутри
и
межплатные
соединения аппаратуры на БИС.
Скоростные возможности БИС
при переходе в гигагерцевый диапазон
превосходят
возможности
микрополосковых и полосковых линий
связи.
Задержка
в
печатных
проводниках сигнала, передаваемого
между двумя БИС на частоте 1..4 ГГц,
составляет 85 % длительности такта
синхронизации.
При
этом
существенным станоится искажение
сигналов
от
конструктивных
неоднородностей.
Наиболее
эффективная
линия
связи
для
соединения
БИС
и
СБИС
–
коаксиальный кабель с изоляцией с
малой диэлектрической постоянной.
Такой кабель имеет точно управляемое
волновое сопротивление и высокую
скорость передачи сигнала 2,63 ·108
м/с (у полосковой линии связи 1,3·108 м/с ). Повороты коаксиального
кабеля
можно
выполнять
со
сравнительно большим радиусом, что
исключает
отражение
сигналов,
которые происходят на прямоугольных
сгибах печатных проводников. В
местах перекрещивания проводников
экраны имеются у обоих, так что
паразитная связь минимальна.
Структура печатной платы с
«утопленным» коаксиальным
кабелем – слева на рис.
Коаксиальный кабель: диаметр
внутреннего проводника – 0,078 мм,
внешнего – 0,24 мм, изоляция тефлон,
наружный экран – сплошной слой
медного гальванического покрытия,
волновое сопротивление – 50 Ом.
Последовательность
монтажа
печатной платы с «утопленным»
коаксиальным кабелем
Основные
этапы
создания
однослойной структуры:
•
укладка
провода
на
стеклоэпоксидное
основание,
покрытое
адгезивом (станок с ЧПУ);
•
отверждение адгезива;
•
сплошное
гальваническое
наращивание проводящего
слоя;
•
очистка
участков
подсоединения проводов;
•
нанесение слоя эпоксидной
смолы;
•
сверление и металлизация
отверстий (обеспечивается
их
соединение
с
внутренними проводниками
коаксиальных кабелей);
•
гальваническое нанесение
проводящих элементов на
поверхность
платы,
например,
контактных
площадок.
При
необходимости
более
плотного монтажа провода можно
укладывать и на вторую сторону
основания, формируя дополнительные
шины питания. Новые слои можно
накладывать и поверх первого слоя
проводного монтажа.
Задержка сигнала – около 4 нс/м.
Соединитель зажимного типа и
характеристика его качества –
справа на рис.
Штыревые
разъемы
не
обеспечивают высокой плотности
контактов.
Их
волно-вое
сопротивление
существенно
отличается
от
волнового
сопротивления линии связи. Это
потребовало разработки соединителей
зажимного типа. Гибкую схемную
плату или кабель изготавливают из
эластичного
фторполимерного
материала (волновое сопротивление
37,7
Ом,
эффективная
диэлектрическая проницаемость 2,44).