ТЕПЛО- и ЭЛЕКТРО МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В АСОНИКА-Т,-ТМ и OrCad PSpice Московский государственный институт электроники и математики «МГИЭМ» ОАО Государственный научно исследовательский институт приборостроения «ГосНИИП» Исаев Михаил Михайлович

Назначение подсистем АСОНИКА-Т,-ТМ при моделировании тепловых процессов в ЭС 2 Для моделирования тепловых режимов верхних конструктивных уровней (стойки, блоки, объект) используется подсистема АСОНИКА-Т, а для моделирования печатных узлов – подсистема АСОНИКА-ТМ: АСОНИКА-Т – подсистема предназначена для компьютерного моделирования стационарных и нестационарных тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭС различных уровней иерархии от шкафов до блоков. АСОНИКА-ТМ – подсистема предназначена для анализа механических и тепловых характеристик печатных узлов и электрорадиоэлементов при тепловых (стационарных и нестационарных) и механических (гармоническая и случайная вибрации, одиночный и многократный удары, линейные ускорения и акустический шум) воздействиях. /В данной работе рассматриваются только тепловые процессы/

3 Моделирование тепловых процессов в блоках ЭС с помощью подсистемы АСОНИКА-Т

Алгоритм моделирования тепловых процессов в ЭС 4 Моделирование тепловых процессов в блоке 1 Моделирование тепловых процессов в конструктивных узлах 2 Моделирование тепловых процессов в микросборках 3 МТП блока Блок Температуры и скорости воздушных потоков, интегральные температуры конструктивных узлов Температуры конструкций в местах установки микросборок, температуры корпусов

Методика построения топологических МТП5 Тепловая модель есть идеализированная схема путей распространения в конструкции ЭС тепловых потоков. В зависимости от степени идеализации процессов теплообмена структура модели может меняться, т.е. может существовать множество вариантов тепловых моделей для одной и той же конструкции. Выбор того или иного варианта модели определяется степенью идеализации тепловых процессов в конструкции, которая, в свою очередь, зависит от требуемой точности моделирования. На этапе идеализации конструкции закладывается основная погрешность теплового моделирования температурного поля ЭС. 1-й этап. Идеализация конструкции. Конструкцию ЭС разбивают на условно изотермичные объемы, а также пренебрегают определенными видами теплообмена, как малозначащими. В качестве таких объемов в ЭС можно рассматривать обособленные ЭРЭ. Разбиение объекта ЭС на условно нагретые зоны зависит от конструктивных особенностей и условий охлаждения объекта, а также от требуемой точности моделирования, от принятых допущений и т.п. 2-й этап. Выделенным условно изотермичным объемам ставятся в соответствие узлы графа, используя принципы сквозной нумерации. 3-й этап. Узлы графа соединяют между собой ветвями, моделирующими соответствующие виды теплообмена между узлами.

Моделирование тепловых процессов в АСОНИКА-Т Основа метода состоит в составлении эквивалентной электрической схемы, моделирующей явления теплопередачи в рассматриваемом объекте - модели теплового процесса (МТП) объекта, и расчете этой схемы методами, разработанными для сложных электрических цепей. МТП в АСОНИКА-Т представляет собой топологическую модель и изобpажаeтcя в видe гpафа. Ветви графа моделируют виды теплообмена. Узлы – элементы конструкции и окружающей среды [выделенные изотермические объемы]. Источник с заданной температурой, °С Источник с заданной мощностью, Вт Теплоемкость элемента, Дж/Кг Тепловое сопротивление, К/Вт Основные элементы графа МТП: Виды теплообмена: Узел Параметры узла6

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт главного меню «Файл» представляет возможность: Создать новую модель («Новый»); Загрузить уже нарисованную модель с диска («Открыть»); Сохранить нарисованную модель в файле на диске («Сохранить», «Сохранить как»); Сохранить нарисованную модель в виде рисунка, формата JPEG (*.jpg) («Сохранить как рисунок»); Закончить работу с программой («Выход»).7

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт главного меню «Правка» позволяет: Произвести отмену последних произведенных действий («Отмена»); Обратиться к Базе данных материалов и коэффициентов смазки («БД материалов», «БД коэффициентов смазки»); Сохранить фрагмент тепловой модели как типовой элемент, загрузить типовой элемент («Сохранить как типовой элемент», «Загрузить типовой элемент»); Выделить всю модель («Выделить все»).8

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт главного меню «Вид» содержит пункты: Настройки параметров графического редактора («Параметры»); Вывода на экран всей графической области модели в отдельном окне для удобства перемещения по большим моделям («Общий вид модели»).9

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт главного меню «Конструкция» позволяет выбрать одну из типовых конструкций: Пластина; Корпус; Модульная конструкция; Кассетная конструкция.10

Типовые конструкции запрограммированные в АСОНИКА-Т 1. Пластина Пластина в свернутом виде Пластина в развернутом виде По указанным параметрам загружается типовая модель пластины11

Y X кондукция излучение конвекция Узлы 1 – 10 моделируют участки пластины; Узел 11 – Соседний конструктивный элемент (с одной и другой стороны); Узел 12 – Окружающий панель воздух Типовая конструкция «Пластина» в АСОНИКА-Т 12

Типовые конструкции запрограммированные в АСОНИКА-Т 2. Корпус Конструкция «Корпус» в свернутом и развернутом виде Узлы 1-6 – стенки корпуса; Узел 7 – окружающая среда; Узел 8 – среда внутри корпуса.13

Типовая конструкция «Модульная конструкция» в АСОНИКА-Т 14

15

Типовая конструкция «Кассетная конструкция» в АСОНИКА-Т Параметры и тепловая модель «Кассетной конструкции»16

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт меню «Расчет» позволяет: Запустить расчет с установленными параметрами; Настроить параметры расчета; Задать таблицы изменения мощностей и температур.17

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт главного меню «Просмотр результатов» запускает просмотр результатов моделирования и позволяет выбрать один из вариантов представления результатов: Температура в узлах модели; График температур во времени.18

Работа с подсистемой АСОНИКА-Т Основные пункты меню Пункт меню «Помощь» позволяет запустить справку к программе («Справка»), осуществить регистрацию программы («Зарегистрировать») и ознакомится с её версией («О программе»).19

Некоторые типы и параметры ветвей топологических моделей АСОНИКА-Т 20

Некоторые типы и параметры ветвей топологических моделей АСОНИКА-Т 21

Некоторые типы и параметры ветвей топологических моделей АСОНИКА-Т 22

Пример расчета ЭС в АСОНИКА-Т Построение моделей конструктивных элементов Результаты расчета Анализ результатов23

Альтернативный ввод моделей в АСОНИКА-Т Пример фрагмента файла данных АНАЛИЗ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА УЗЛА РАДИАТОРА ТИПК=01 ТИПР=03 ФЧУВ=00 ТЕСТ= количество узлов модели " * НАЧАЛЬНОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ E+00 КОНЕЧНОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ E+03 ТОЧНОСТЬ ИНТЕГРИРОВАНИЯ E-05 МИНИМАЛЬНЫЙ ШАГ E+01 МАКСИМАЛЬНЫЙ ШАГ E+01 НАЧАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА E+02 24

25 Моделирование тепловых процессов в печатных узлах ЭС с помощью подсистемы АСОНИКА-ТМ

26 Принципы моделирования печатных узлов в АСОНИКА-ТМ При моделировании типовых конструктивных элементов, к которым относятся печатные узлы, их МТП строится подсистемой АСОНИКА-ТМ автоматически. Моделируемый печатный узел описывается пользователем в привычных терминах: размеры печатного узла, расположение электрорадиоэлементов и прочие. Полученные на предыдущем этапе температуры конструктивных элементов и воздушных объемов используются как граничные условия для расчета теплового режима печатных узлов. Кроме этого для подготовки исходных данных для расчета теплового режима печатного узла необходимо описывать геометрические и теплофизические параметры каждого радиоэлемента - координаты их установки, площади электрорадиоэлементов (ЭРЭ), их тепловые сопротивления крепления, мощности тепловыделения.

27 Принципы моделирования печатных узлов в АСОНИКА-ТМ Печатная плата разбивается расчетной сеткой на изотермичные участки. В результате получается плоская сеточная МТП печатной платы состоящая из ветвей моделирующих теплопроводность между соответствующими изотермичными объемами платы, и узлов изотермичных объемов. От ЭРЭ к узлам этой сетки строятся ветви МТП моделирующие теплопроводность - тепловое сопротивление крепления ЭРЭ. С каждой ячейки осуществляется теплообмен конвекцией в окружающий воздух и излучение на соседний конструктив. узлы МТП моделируют участки печатной платы; узлы моделируют ЭРЭ установленные на плате; узел 9(11) моделирует соседний конструктивный элемент сверху (снизу); узел 10(12) моделирует воздушный объем сверху (снизу).

28 Описание подсистемы АСОНИКА-ТМ Главное окно подсистемы Дерево элементов проекта Параметры элементов проекта Панель подсистемы

29 Ввод данных в подсистеме АСОНИКА-ТМ

30 Альтернативный ввод информации об элементах: Параметры и запуск расчета:

31 Вывод результатов в подсистеме АСОНИКА-ТМ в виде полей в виде карт режимов в виде графиков

32 Моделирование электрических процессов в ЭС с помощью OrCad PSpice

33 Проектирование электронных средств в среде автоматизированного моделирования электрических режимов работы OrCAD Cadense OrCad представляет собой один из мощнейших пакетов программ для моделирования в сфере проектирования электронных средств и печатных плат. Основные компоненты пакета OrCAD OrCAD Capture OrCAD Capture графический редактор схем; OrCAD PSpice A/D OrCAD PSpice A/D программа моделирования аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств, данные в которую передаются из OrCAD Capture; OrCAD PSpice Optimizer OrCAD PSpice Optimizer программа параметрической оптимизации; OrCAD Layout OrCAD Layout графический редактор печатных плат; Component Information System Component Information System Система доступа к электронному каталогу компонентов. сервер ПК

Программа моделирования аналоговых устройств PSpice позволяет рассчитывать переходные процессы при действии различных входных сигналов, их спектры, режимы по постоянному току, частотные характеристики, спектральные плотности внутренних шумов и другие характеристики нелинейных и линеаризованных аналоговых устройств, а также моделировать устройства сопряжения аналоговых и цифровых устройств и смешанные аналого-цифровые устройства. Общие сведения о программе OrCad PSpice34

При моделировании в PSpice непосредственно загружается файл *.cir. Для его составления сначала присваиваются имена всем узлам принципиальной схемы моделируемого устройства. Имена узлов могут быть целыми числами от 0 до 9990 или алфавитно- цифровыми символами длиной не более 131 символа: R_R1 N63977 N k Описание формата входного файла OrCad PSpice35 После именования узлов составляют задание на моделирование, которое заносится в файл. Имя файла произвольное. Первая строка файла строка заглавия, которая затем выводится в виде заголовка в выходном файле. Строки комментариев содержат символ «*» в первой позиции. * source GEN1004 Строка продолжения начинается с символа «+» в первой позиции. Последняя строка файла.END. Порядок ввода промежуточных строк значения не имеет. Узлы подключения элемента R_R1 Комментарий

Описание формата входного файла OrCad PSpice Предложения входного языка программы PSpice делятся на описания компонентов и директивы. Описанием компонента считается любая строка, не начинающаяся с символа «.» (кроме первой строки и строк комментариев и продолжений). Описание компонента имеет следующую структуру: : R_R1 N63977 N k Узлы подключения элемента R_R1 Значение для R_R1 Первый символ имениТип компонента СКонденсатор DДиод QБиполярный транзистор RРезистор VНезависимый источник напряжения36

Полупроводниковые приборы, математические модели которых встроены в программу PSpice, описываются большим количеством параметров, задаваемых с помощью директивы.MODEL, имеющей структуру:.MODEL + ( = ) Здесь имя модели компонента схемы, например KT315V, D104. Тип компонента определяется. В данной работе используются следующие имена типа модели: D для диода; NPN для биполярного n-p-n транзистора; PNP для биполярного p-n-p транзистора. В директиве.MODEL в круглых скобках указывается список значений параметров модели компонента (если этот список отсутствует или не полный, то недостающие значения параметров модели назначаются по умолчанию)..MODEL D104 D(IS=1E-10).MODEL KT315V NPN(IS=1E-11 BF=50) Описание формата входного файла OrCad PSpice37

Пример задания на моделирование линейного стабилизатора напряжения в OrCad PSpice38

Предлагаемый вариант реализации автоматизированного итеративного моделирования электрических и тепловых процессов с применением конвертера Ввод электрической принципиальной схемы Ввод конструкции изделия Ввод конструкции печатных узлов 4 Рассеиваемые ЭРЭ мощности 5 Суммарные рассеиваемые мощности узлов 6 Интегральные температуры узлов 7 Рассеиваемые ЭРЭ мощности и граничные условия 8 Температуры ЭРЭ Температуры ЭРЭ в формате данных для OrCad. Следующий цикл итерации Подпрограмма составления заданий на моделирование в OrCad Конвертер данных

Спасибо за внимание