ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ: АСОНИКА-Т,-ТМ и Cadence OrCad Московский государственный институт электроники и математики «МГИЭМ» ОАО Государственный научно исследовательский институт приборостроения «ГосНИИП» Исаев М.М.

Цель и задачи работы Цель работы: разработать метод, позволяющий избежать возможных проявления отказов ЭС, вызванных совокупностью влияния тепловых и электрических процессов друг на друга с учетом наличия разбросов параметров элементов, с использованием средств компьютерного моделирования. Практический эффект комплексного электро-теплового моделирования состоит в: Своевременном обнаружении и устранении ошибок проектирования; Своевременном обнаружении и устранении ошибок проектирования; Определении наихудших условий работы ЭРЭ за счет учета технологических разбросов параметров и влияния температурных воздействий; Определении наихудших условий работы ЭРЭ за счет учета технологических разбросов параметров и влияния температурных воздействий; Возможности проработки изделий до изготовления лабораторных образцов; Возможности проработки изделий до изготовления лабораторных образцов; Повышении технологичности изделий с наименьшими затратами; Повышении технологичности изделий с наименьшими затратами; Определении методики проведения испытаний образцов; Определении методики проведения испытаний образцов; Уменьшении количества испытаний. Уменьшении количества испытаний.2

Варианты моделирования электрических и тепловых процессов 3 простое, последовательное моделирование моделирование с обратными связями между расчетами

4 При электрическом моделировании результат зависит от значений температуры, используемых для расчета. Особенно сильно это проявляется в теплонагруженных приборах. Но поскольку теплового расчета не проводилось, то, обычно, задаются значением температуры в 25С (нормальные условия) вместо реальных или близких к реальным значениям. Таким образом, погрешность электрического расчета, обусловленная неточным заданием температур ЭРЭ, будет определяться разностью значений используемых температур и их реальных значений: где - погрешность электрического расчета, обусловленная использованием не верного значения температуры ЭРЭ; - температура ЭРЭ, используемая при расчете; - реальная температура элемента; Таким образом, после проведенного последовательного моделирования электрических и тепловых процессов целесообразно провести проверочный расчет с начала, прежде чем использовать данные в следующих этапах проектирования.

Интерес представляет итеративный процесс моделирования Итерационный обмен данными предполагает ввод между операциями (математическими моделями) обратных связей, по которым осуществляется обмен корректирующей информацией. По завершению электрического и теплового расчетов происходит анализ результатов и выносится решение о передаче полученных данных на новый цикл (решение основывается на выбранном критерии), если же результат удовлетворяет, то он передается дальше по технологии проектирования. Уже на втором шаге итерации, при моделировании электрических процессов, будут использованы значения температур ЭРЭ, полученные на первом шаге -, и, поскольку эти температуры рассчитаны с учетом внешней воздействующей тепловой среды (температуры окружающей среды и соседних КЭ), эти значения будут более близки к реальным.5

6 Реализация итеративного моделирования электрических и тепловых процессов Таким образом, на каждом следующем шаге итерации происходит уточнение значений параметров работы каждого из рассчитываемых элементов, узлов и ЭС в целом. Итерацию можно считать завершенной, когда изменение параметра i-го ЭРЭ за один шаг итерации достигнет некоторого, заранее выбранного значения (критерия): где Ki,ЭТ - критерий; Ui,k, Ui,k-1, - значения параметра для i -го ЭРЭ на k –ом и k-1 –ом шаге итерации соответственно; k – номер шага итерации (k = 1, 2, …);

Уменьшается погрешность электро-теплового моделирования с каждой проведенной итерацией расчета:

8 Обзор применяемых программных средств

9 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

10 Создание схемы электрической принципиальной в среде OrCAD/Capture Выбор типа проекта Структура проекта Размещение символов компонентов и электрических цепей Фрагмент готовой схемы Задание параметров элементов

Типы и структуры проектов OrCad 11 Типы проектов: Analog or Mixed-Signal Circuit Analog or Mixed-Signal Circuit - аналоговые, цифровые или смешанные аналого-цифровые устройства, моделируемые с помощью программы PSpice (возможна также дальнейшая разработка печатной платы с помощью OrCAD Layout); PC Board PC Board - печатные платы (моделирование смешанных аналого- цифровых устройства выполняется с помощью PSpice); Programmable Logic Wizard Programmable Logic Wizard – моделирование программируемых цифровых устройств; Schematic Schematic - только создание и документирование принципиальных схем, моделирование и разработка печатных плат не предусматривается. Структуры проектов: В системе представлено два способа организации схем большого объема: PAGE 1 PAGE 2 PAGE 3 OrCad Project Плоские многостраничные структуры Иерархические структуры проектов MAIN PAGE A1B1 OrCad Project C1 D21D22 F21F22F23

Пример использования иерархических блоков в OrCad Capture Фрагмент функциональной схемы устройства Схема устройства в OrCad12

Графическое представление результатов моделирования в OrCad PSpice Графическое представление результатов моделирования Представление спектров сигналов Варианты пробников: 1.Напряжение в точке относительно нуля; 2.Напряжение между двумя точками; 3.Ток через элемент.13

14 Выходные файлы расчета в OrCad PSpice Выходные файлы расчета PSpice (расширение файла *.out) содержат текстовое описание результатов моделирования схемы. Суммарная выделенная мощность Таким образом, существует возможность анализа файла расчетов с помощью программы-конвертера для подготовки входных данных тепловых расчетов. Напряжения в узлах схем

Моделирование тепловых процессов в конструкциях и печатных узлах электронных средств с помощью подсистем АСОНИКА-Т, -ТМ 15 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/

Пример электронного средства 16 Изделие типа «Электронный преобразователь» Резервированная система изделия состоит из 3-х каналов В каждом канале 8 идентичных схем преобразования сигнала Σ = 24 идентичных цепи преобразования ЭС подобного типа имеют аналоговую часть, наиболее подверженную влиянию температурных воздействий Аналоговая часть Цифровая часть Блоки: Источник питания 1,2,3 к Преобразователь входной 1,2,3 к Генератор Блоки: Вычислитель 1,2,3 к Задача – обеспечение идентичных сигналов с цепей преобразования

Применение подсистем АСОНИКА-Т, -ТМ при расчете теплового режима блока 17 Рассчитанные температуры узлов и элементов + + =

Распределение интегральных температур по печатным узлам каналов блока по печатным узлам каналов блока Разности интегральных температур по ПУ разных каналов достигают 6.7, 6.5, 9.4 °С для ПУ Источник питания Вычислитель и Преобразователь входной соответственно. Вывод- разные режимы работы электрорадиоэлементов и разная надежность ПУ каналов блока, которые необходимо учитывать18

19 Оценка влияния температуры на режимы работы электрорадиоэлементов Наличие технологических разбросов параметров ЭРЭ в совокупности с характеристиками при повышенных температурах может стать причиной выхода параметров сигналов блока за установленные пределы. Экспериментальные данные показывают различие выходных сигналов идентичных каналов преобразования в 24%. При том что используются ЭРЭ с 9-й приемкой. 3,7-3,8 В. 3,0 В. -Допустимое значение напряжения сигнала -Недопустимое значение Расчет в системе OrCAD: Значения в OrCAD получены путем задания параметров ЭРЭ в усилительных каскадах, с учетом допустимого по ТУ разброса и температуры Отличия от номинальных значений ЭРЭ – 1% (9-я приемка)

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

Использование функции чувствительности для оценки разбросов параметров 21 Функция чувствительности Функция чувствительности – количественный показатель параметрической чувствительности определяемый как частная производная выходной характеристики по соответствующему параметру. В бортовых РЭА как правило используются электрорадиоэлементы с приемкой 9 и малыми значениями допусков. При малых вариациях параметров q вариации выходных характеристик y можно выразить как: Задача – получение функций чувствительности для всего множества элементов ЭС j,k-индексы: выходной хар-ки y и параметра q; q˚ - значения параметров Для получения функции чувствительности элементов БРЭа, разработчик, может использовать аналитические методы (1) или принцип непосредственного анализа исходной расчетной модели (2). 21

Использование математического аппарата функции чувствительности 22 Для учета ситуаций с возникающими отклонениями параметров ЭРЭ в ЭС необходимо использование систем расчета, основанных на математическом аппарате функций чувствительности, позволяющем оценить влияние отклонения параметров составляющих ЭС элементов. Аппарат функции чувствительности можно использовать для оценки ухода характеристик цепи под влиянием тех или иных дестабилизирующих факторов, например температуры. Математический аппарат функции чувствительности Для уменьшения размеров задачи, предлагается ограничиться некоторым набором параметров ЭРЭ, который определяется разработчиком исходя из условий работы. Идентификациямоделей Предварительный анализ ЭС с точки зрения влияния физических процессов друг на друга. Анализ внешних воздействий по их важности для данного ЭС Используются программные средства компьютерного моделирования, такие как подсистемы «АСОНИКА», OrCAD, Компас, MatLab и т.п. Моделирование с учетом разбросов параметров элементов Разработка предложений для устранения возможных нежелательных перегрузок на элементах Корректировка ЭС, элементной базы, технических решений исполнения изделия.

Получение функций чувствительности ЭС с помощью программных средств 23 Матрица функций чувствительности Основные задачи разработчика: 1.Работоспособна ли данная система и обеспечиваются ли требования ТЗ ? 2.Какие запасы по нагрузке имеет данная система? Для оценки влияния отклонений параметров ЭРЭ метод предполагает использование программных математических систем для расчета параметрических функций чувствительности. В расчетах учитываются как технологический разброс так и вариация параметров от температурных воздействий Системы математического Моделирования: Maple, Matematica, MatLab,…

24 Поскольку каждый ЭРЭ обладает множеством параметров, то в сложных устройствах задача выявления максимальных нагрузок (наихудшего случая) имеет огромный размер. Для уменьшения размеров подобных задач, в работе приходится ограничиваться некоторым набором параметров ЭРЭ, который определяется разработчиком исходя из условий эксплуатации изделия и его составляющих. Математический аппарат функции чувствительности Разработчик Реализация расчетов БРЭА с учет разбросов параметров и их вариаций при использовании программных средств Вариант итеративного моделирования spice - программа АСОНИКА-Т, -ТМ Программа- конвертор

Метод расчета с учетом разбросов параметров и их вариаций при конструировании БРЭА 25 Разделение на отдельные элементы (подсистемы) Разработка принципиальных электрических схем и конструкции Оценка влияния физических процессов в ЭС друг на друга Анализ результатов моделирования, исследование критических мест Моделирование физических процессов в ЭС Разработка моделей Учет разброса параметров элементов Учет вариаций параметров элементов ТЗ, предлагаемая реализация изделия Расчет надежности

метод включает в себя: Анализ внешних воздействий по их важности; Разделение конструкции на отдельные части с целью реализации иерархического проектирования; Моделирование электрических процессов; Построение тепловой модели для выделенных частей; Анализ результатов моделирования для снижения влияния тепловых и др. факторов. Выделение наиболее критических мест и радиоэлементов, наиболее подверженных влиянию тепла и других факторов. Проверка идентичности режимов работы узлов ЭС; Разработка предложений для устранения нежелательного влияния факторов на электрические характеристики; Итеративное моделирование электрических и тепловых процессов; Итеративное моделирование электрических и тепловых процессов; Разработка конструкции ЭС по сформулированным предложениям; Проверочное комплексное моделирование электрических схем и тепловых процессов с учетом других факторов. Расчет надежности, проверка на соответствие ТЗ Основные этапы разрабатываемого метода 26

Спасибо за внимание