Введение к работе
Актуальность работы. Основным требованием, предъявляемым к РЭА,является обеспечение нормальной работы при воздействии дестабилизирующих факторов окружающей среды. Один из таких факторов - температура, характеризующаяся диапазоном изменения температуры окружающей среды. К изделиям электронной техники в соответствии со степенями жёсткости воздействия климатических факторов при эксплуатации предъявляется требование функционирования при изменении температур окружающей среды от минус 60С. Однако, не все радиоэлементы, составляющие элементную базу РЭА,рас считаны на работу при предельных пониженных температурах. Так, например, только около 10 цифровых и аналоговых интегральных микросхем имеют нижнюю границу диапазона рабочих температур минус 60С, около ЭО - от минус 45С до минус 250 и около 60$ - выае минус ЮС.
Кроме этого, больпое число перспективных изделий микроэлектроники, таких как сверхбольиие и сверхбыстродействующие интегральные схемы, элементы на приборах с зарядовой связью, линии задержки, элементы оптоэлектроники не работоспособны при температурах до минус 60С и, поэтому, не могут использоваться в РЭА специального назначения без дополнительных мер по обеспечению теплового режима при низких температурах. При этом, общие затраты ыассогабаритных ресурсов разрабатываемой РЭА когут быть уменьшены за счёт того, что ресурсы, отводимые для системы обеспечения тепловых рехимов (СОТР),могут быть иеньпа_ ресурсов, высвобождаемых за счёт использования более многофункциональных радиоэлементов, допускающих эксплуатации пря более высоких температурах.
Актуальной также является задача поддержания температура отдельных радиоэлементов с заданной точностью.
Сокращение времени разогрева элементов РЭА до нормально-
го теплового pczima (минимальной температури нэ интервала рабочих температур элементов) перед их включением, и повышение эффективности и точности поддержания теплового реяииа в процессе работы РЭА с учетом температуры округишцеИ среди и внутренних тепловыделении самих элементов, обуславливает необходимость оптимизации параметров СОТР, а именно, параметров регулятора температури, конструкции и размещения нагревателен.
Поиск оптимальной структуры СОТР определяется такяе тем, что модность, затрачиваемая для разогрева радиоэлементов до заданной температури, преьизаех мощность, потребляемую сантлі радно э л еме нтамн.
Для ресения задачи оптимизации параметров СОТР необходима приемлемая для методов оптимизации нестационарная тепловая модель элементов РЭЛ и формализованная процедура синтеза СОТР, позводягцая разработать комплекс алгоритмического и программного обеспечения.
Цель работы. ЦельБ данной диссертационно!', райоти является разработка принципов построения СОТР элементов РЭА и методик расчёта параметров основних подсистен: оптимального нагревателя и регулятора температуры, реализующего оптимальный рехігм разогрева радиоэлементов, к представление разработанных методик в виде алгоритмического и программного v. еспеченил для дШ.
дя достижения указанной цели в работе поставлены и репе-іш следующие задачи:
проведён анализ и систематизация конструктивних особенностей СОТР, применяемых в интегральной РЭА;
обоснованы принципи построения и структура СОТР, разработаны структурная схема регулятора температури и конструкция нагревателя;
разработаны методики и алгоритмі; расчёта нестационарных тепловых режимов элементов интегрально!! РЗА и оптимальных параметров СОТР на основе теплово;: модели в виде многослойной пластины ка однородном основании;
разработан комплекс програми для анализа нестационарных тепловых рейтов элементов F3A и расчёта оппшальных параметров регулятора температуры к конструкции нагревателя СОТР;
разработан образец СОТР для реального изделия РЗА и дана оценка его эффективности.
].!етоды исследования, В работе использованы теоретически* и экспериментальный методы исследования. В теоретической части
5 диссертации били яс льэованы: аппарат дифференциальных уравнений в частных производных, преобразование Лапласа, разложение в ряды по собственниц Функциям задачи, численное интегрирование с использованием метода наименьших квадратов, методы оптимального управления на базо проблемы моментов в аппарат передаточных Функций и матричной алгебры. Экспериментальный метод использовался при испытаниях и оценке эффективности СОТР.
Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:
-
Обоснованы принципы построения я структура СОТР элементов РЭА.
-
Разработана математическая модель нестационарных температурных режимов элементов РЭА на основе тепловой модели в виде многослойной пластины на однородном основании, составлена формализованная процедура её реализация на ЭВМ.
-
Предложено для синтеза закона оптимального рас ределён-ного разогрева элементов РЭА использовать методы проблемы моментов, дополненные разбиением интервала разогрева на два под-интервала.
-
Разработана методика применения численного обращения преобразования Лапласа для анализа нестационарных тепловых режимов элементов РЭА.
-
Разработан тонкоплёночный нагреватель на полииыидном носителе, реализугганй оптимальное распределение удельной мощности по нагреватели.
-
Разработан регулятор температуры для предложенного типа нагревателей, работавший по принципу совмещённого датчика-нагревателя.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
На базе предложенных моделей и алгоритмов разработан универсальный программный комплекс для расчёта оптимальных СОТР элементов РЭА, позволяющий автоматизировать процессы расчёта и выбора опгкмалышх параметров СОТР. Исследования программного комплекса показали возможность его применения для любых элементов, тепловая модель которых может быть представлена ь виде многослойной пластины, расположенной на однородном основании.
-
Разработана конструкция СОТР элементов РЭА, состоящая
из токкоплёночвшс нагревателей на лодинмлднои носителе и регулятора температуры группы этих нагревателей.
Тонкоплёкочный нагреватель на полиимидном носителе с предложенной конфигурацией нагревательного элемента, реализующего оптимальное распределение удельной плотности тепловых источников, позволяет эконоуить около 20 энергии, затрачиваемой на поддерхание температурного рехима.
Регулятор позволяет стабилизировать температуру нагревателя без применения дополнительных датчиков температуры, путей использования самого нагревателя в качестве датчика, что ведет к повышению точности стабилизации температуры, надёхности СОТР и позволяет экономить около 50$ энергии.
3. Разработан промышленний образец СОТР л комплект технической документации на регулятор температуры и тонкоплёночкый нагреватед'- СОТР элементов РЭА.
Реализация результатов работы. Разработанный 'программный комплекс для расчёта оптимальних тепловых режимов элементов РЭА и образец с:ш:"альной СОТР переданы на предприятие НИИ "Волна". Экономическ;г эффект от внедрения составил 65 тысяч 761 руб. в год, что поди'грхдено актом внедрения. Кроме этого, результаты работы использовались в учебном процессе на кафедре "Автоматика и телемеханика* Саратовского ордена Трудового Крас-?гс Знамени полі;ї>:*нкчєсхого . 'сг.ітута.
Апробация работы. Основные результаты работы были долоіе-ны и обсухдени на следующих семинарах и конференциях:
на семинарах кафедр Казанского авиационного института, Ленинградского института точной механики и оптики, Саратовского политехнического института и предприятия НИН "Волна";
седьмом Всесоюзном совещании молодых учёных "Современные проблемы автоматического управления", г.Иосква, 1967г.;
четвёртой Всесоюзной студенческой научной конференции "Интенсификация тепло- и массообиешшх процессов в химической технологии", г.Казань, 1989г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в трёх депонированных отчётах по НИР, двух докладах и тезисах на конференциях, двух описаниях авторских свидетельств, одном описании программного модуля, принятого в ГосФАП, и одном описании комплекса программ, принятого в ФАП НИИ "Волна".
Структура п объём работ». Диссертационная работа состоит из вбєдоішл, четырёх глаз, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 123 страницы основного текста, 22 рисунка, б таблиц. В библиографии 92 наименования источников. В приложении 55 страниц.
На защиту впносятсл:
-
Принцип построения и структура СОТР элеиентов РЭЛ.
-
Алгоритмическое обеспечение для расчёта оптимальних СОТР элементов РЭЛ, вклочанцсе процедуру построение нестационарна?. натепаткческоЛ «одели теу.лературшяс релшол элеиентов РЭЛ па базе шюгосдоЯпои тепловой подели радиоэлементов, методику расчета регкна спткмздьного подогрета элементов РЭЛ, и принцип разбиения интервала оптимального разогрева элементов на два участка, что позволяет использовать методи проблекк монен-тов.
-
Построение н структура программного комплекса по расчету оптимальних СОЇ? элеиентов РЭА.
-
Конструкция тонкошёночного нагревателя на поднпмидно.ч носителе, позволяющая реодизовнвать оптимальний распредгл^ПгмГ! по нагревателя регпн подогрева.
-
Регулятор температури тонкопл'блочішх нагревателей, работая-цкй по принципу совмещённого датчкка-иагреватс.тя.
содЕ?хи;:!2 и ooimmz результату рлртіі
Во введении обоснована актуальность постановки п решения задачи разработки СОТ? элементов РЭА, реализуйте" подогрев для обеспечения нормальних теплових рездиов радиоэлементов, приведену краткие аннотации по разделай и основнне положения, гико— синие на заднгу.
3 первой главе проведён апализ работ, посвященных проблемам создания СОТР, виполнятлдиг. функции подогрева элементов РЭА до значении допустима рабочих температур. Показано, что для реализации подогрева радиоэлементов наиболее перспективным является использование в СОТР РЭА тонкоплёночных нагревателен, а поддерглпие заданной температури целесообразно осуществлять двухпозиционним регулятором релзПно-ішпульсного типа, работав-Ц!ш по принципу совиелёиного датчшеа-нагревателя. Кроие этого, сокращение времени разогрева элементов РЭА до нормального теплового ре?:ниа (минимальной температуры из интервала рабочих
8 температур) перед их включением, и повышение эффективности и точности поддержания теплового рехіша в процессе работы РЭА с учётом температуры окружающей среды и внутренних тепловыделении самих радиоэлементов, обуславливает необходимость оптимизации параметров СОТР - параметров регулятора температуры, конструкции и размещения тонкоплёночного нагревательного элемента. Для решения задачи оптимизации СОТР требуется приемлемая для методов оптимизации нестационарная тепловая модель элементов РЭА. В результате анализа показано, что чаще используется обобщённая тепловая модель в виде многослойного прямоугольного параллелепипеда (многослойной пластины), располохен-ного на однородном основании, а задача оптимизации параметров СОТР, требующая использования адекватной математической модели, обуслаливает её построение на базе дифференциальных уравнений парао^чического типа, описывающих нестационарные распределённые по їрє'м пространственным координатам тепловые рехимы в многослойно, параллелепипеде и основании. С целью автоматизации процедуры синтеза оптимальных параметров СОТР требуется разработать комплекс .^горитмического и программного обеспечения для ЭВЫ.
Во второй главе проведмо обоснование структуры оптимальной СОТР и разработана методі,'а расчёта её элементов. Струк-ї}~і;"?(! схема, прг.тмглеиная на :s;c.I, включает:
їоскоплєкочіші; нагреватель на по.іПимидном носителе с конфигурацией тепловыделяющего проводника, реализующего оптимальное стационарное распределение удельной мощности, минимизирующее энергетические затраты на подогрев;
регулятор температуры релерно-импульсного типа, работающим по принципу совмещённого датчика-нагревателя, и реализующий оптимальный нестационарный закон изменения общей мощности нагревателя с оптимальным распределением удельной мощности.
С целью определения оптимальных параметров конструкции нагревателя и регулятора в СОТР предлагается методика расчёта, основанная на тепловой модели интегральных элементов РЭА в виде киогослойной пластины на однородном основании (рис.2), где нагреватель эквивалентен Q -ну слою, а температурный р«даш определяется на верхней поверхности Р -го слоя многослойной пластины. Математическая модель нестационарных температурных режимов многослойной тепловой модели интегральных элементов РЭА представляется системой уравнений в операторной форме Лап-
Датчик -- нагрева-толь
Рис. I. Структурная схена оптимально!! СОТР элементов РЭА
toKpcp. - температура окрухавцеи среды;
Еиогр. - напряаение па датчике-нагревателе в релте иаграва;
tgartw. - тешіература датчика-нагревателя в posauo язлэрвния.
Рис. 2. Тепловая иодехь интегрального элемента РЭА
-
- слой, эквивалентный нагревателе;
-
- слой, на поверхности которого определяется тездературний
реюш;
3 - многослойная пластина; 4 - однородное осяованиэ.
ласа. Так как оптимальная конфигурация нагревателя задаётся па этапе проектирования СОТР, то задача оптну.адьного распределённого разогрева элементов ГЗА. представляется б виде двух подзадач: определений оптимального стационарного распределения удельной плотности тепловых источников по нагреватели и определения оптимального закона г.знсненпя обцсП модности такого нагревателя. Показано, что первая подзадача нохет быть сведена к задаче минимизации функции одной перскснноЕ, а вторая подзадача ио.тот бить резена с использованной методов проблеми моментов, отличающееся теп, что интервал разогрева разбивается на два под-пнтервала.
Разработан "бнстриП алгоритм" для расчета нестационарного температурного репша многослойной тепловой подели элементов РЭА, основанный на использовании метода численного обращения преобразования Лапласа с помочь» квадратурних форм?* ічнсле-нпя несобственного интеграла обратного преобразования Лапласа, оіличагциГ.ся гем, что учитывает особенности натеиатнческои модели теплових регииов и вида опигмального разогрева.
В третьей главе приведены основное сведения о программном комплексе для расчёта параметров оптимальних С07Г элементов ГЗА, а так-.;е проведен расчёт СОТГ для бистроД'"".ствус'дего цифрового устройства (ЩУ), построенного на цифрових ицтеградьша ннкро-схеках серии КІОО. Программки!! комплекс позволяет:
-
строить приблнг.ённун модель нестационарных теплових рехкмов элементов РЭА в форме "вход-виход" с запаздываниями в входных переменных на основе негода минимизации отклонении в переходник процессах исходной" к прио'лигёнпоП моделях;
-
определять оптимальное стационарное распределение удельной плотности теплових источников но нагреватели, кншплтэнруьзее энергетические затраты на поддержание заданного распределённого теплового peziara элементов РЭА;
-
определять закон изменения об:;еіі модности нагревателя, реализующего оптія/альное перераспределение удельной плотности тепловых источников, с целыз перевода элементов РЭА в заданный тепловой режим за заданное враия пря условии ишпшуиа затраченной Еа перевод энергии;
-
проводить анализ нестационарного распределённого теплового решоса элементов РЭА под действием заданного закона изменения общей нопдостк нагревателя с задангаш перераспределеннек удельной плотности тепловых источников.
Апробация программного комплекса, проведённая на примере расчёта оптимальной Л? для ЩУ, показала ого работоспособность и эффективность. Графическая интерпретация результатов расчётов приведена иа рис. 3-5. Программный комплекс передан на предприятие НИЛ "Волна", его использование позволило автоматизировать процессы расчета а выбора оптимальних параметров СОТР для изделий РЭА. отого предприятия, что привело к получение экономии в размере 65761руб.
В четвёртой главе разработана конструкция оптимально!!' СОТР злеиентов РЭА, состоящая из:
-
тонкоплёночного нагревателя на полнямпднои носителе с конструкцией (рис.6), реализующей оптимальное стационарное распределение удельной плотности тепловых источников;
-
регулятора температуры пагревателеЗ СОТР, работавцего по принципу совмещённого датчика-нагревателя (рис.7).
Разрабогакі техническая документация я опытный образец оптимальной СОТР реального изделия - быстродействующего :ірово-го устройства для предприятия Ш!1! "Волна". Испытания СОТР ЩУ показали её работоспособность, соответствие требованиям ТЗ и подтвердили правильность подучешшх результатов.
В заключении приводятся основино выводи я результати ряботи.
В прклодении представлены выводы соотпопениЗ для математик ческой модели и акт внедрения результатов диссертационной работы.
Похожие диссертации на Оптимальная система обеспечения температурного режима интегральных радиоэлектронных устройств
