ppt, 2899 кб

ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ:
АСОНИКА-Т,-ТМ и Cadence OrCad
Исаев М.М.
Московский государственный институт электроники и математики
«МГИЭМ»
ОАО Государственный научно исследовательский институт
приборостроения «ГосНИИП»
Цель и задачи работы
2
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;
 Определении наихудших условий работы ЭРЭ за счет учета
технологических разбросов параметров и влияния температурных
воздействий;
 Возможности проработки изделий до изготовления лабораторных образцов;
 Повышении технологичности изделий с наименьшими затратами;
 Определении методики проведения испытаний образцов;
 Уменьшении количества испытаний.
Варианты моделирования электрических и тепловых 3
процессов
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 25С (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: U  f (Т ) T  T  T
Э
0
где U-Э погрешность электрического расчета, обусловленная
использованием не верного значения температуры ЭРЭ; T температура ЭРЭ, используемая при расчете; T - реальная
0
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.
5
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.
Реализация итеративного моделирования электрических и тепловых
процессов
6
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):
K i ,ЭТ  U i ,k  U i ,k 1
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, …);
7
Итеративное моделирования электрических и тепловых
процессов
Уменьшается погрешность электро-теплового моделирования с каждой
проведенной итерацией расчета:
U i , k
<…<
U i , 2
<
U i ,1
Результаты проведенного моделирования - электрические и тепловые
режимы работы, используются для моделирования ЭС в соответствии с его
иерархической схемой
8
Обзор применяемых программных средств
Проектирование электронных средств в среде 9
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 — графический
редактор схем;
OrCAD PSpice A/D — программа
моделирования аналоговых и
смешанных аналого-цифровых
устройств, данные в которую
передаются из OrCAD Capture;
OrCAD PSpice Optimizer —
программа параметрической
оптимизации;
OrCAD Layout — графический
редактор печатных плат;
сервер
Component Information System —
Система доступа к электронному
каталогу компонентов.
ПК
Создание схемы электрической принципиальной в 10
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:
Структуры проектов:
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);
В системе представлено два способа
организации схем большого объема:
PC
Board
печатные
платы
(моделирование смешанных аналогоцифровых устройства выполняется с
помощью PSpice);
Programmable
Logic
Wizard
–
моделирование
программируемых
цифровых устройств;
Schematic
только
создание
и
документирование
принципиальных
схем, моделирование и разработка
печатных плат не предусматривается.
Плоские многостраничные структуры
OrCad Project
PAGE 1
PAGE 2
PAGE 3
Иерархические структуры проектов
OrCad
Project
MAIN PAGE
MAIN PAGE
A1
D21
B1
D22
C1
F21
F22
F23
Пример использования иерархических блоков в 12
OrCad Capture
Фрагмент функциональной схемы
устройства
Схема устройства в OrCad
Графическое представление результатов
моделирования в OrCad PSpice
13
Варианты пробников:
1. Напряжение в точке
относительно нуля;
2. Напряжение
между
двумя точками;
3. Ток через элемент.
Графическое представление
результатов моделирования
Представление спектров сигналов
150mV
100mV
50mV
0V
667.4Hz
V(R49:2)
1.00KHz
V(A1.R1:1)
V(A1:2)*0.5+2
Frequency
1.49KHz
Выходные файлы расчета в OrCad PSpice
14
Выходные файлы расчета PSpice (расширение файла *.out) содержат
текстовое описание результатов моделирования схемы.
Напряжения в узлах схем
Суммарная выделенная мощность
Таким образом, существует возможность анализа файла расчетов с
помощью программы-конвертера для подготовки входных данных
тепловых расчетов.
15
Моделирование тепловых процессов в
конструкциях и печатных узлах электронных
средств с помощью подсистем АСОНИКА-Т, -ТМ
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
Кожух
Изделие типа «Электронный
преобразователь»
Каркас
(“Корзина”)
Основание
ЭС подобного типа имеют
аналоговую часть, наиболее
подверженную
влиянию
температурных воздействий
Резервированная
система
изделия состоит из 3-х каналов
В каждом канале 8 идентичных
схем преобразования сигнала
Σ = 24 идентичных цепи
преобразования
Задача – обеспечение
идентичных сигналов с цепей
преобразования
Панель
Печатные узлы
Аналоговая
часть
Цифровая
часть
Блоки:
Блоки:
“Источник
питания” 1,2,3 к
“Вычислитель”
1,2,3 к
“Преобразователь
входной” 1,2,3 к
“Генератор”
Применение подсистем АСОНИКА-Т, -ТМ
при расчете теплового режима блока
Верхняя стенка
Задняя стенка
Левая стенка
Правая стенка
Нижняя стенка
+
+
Корзина Сверху
Корзина Слева
Корзина Справа
Корзина снизу
Основание
=
Рассчитанные температуры узлов и
элементов
17
Распределение интегральных температур
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
учитывать
18
Оценка влияния температуры на режимы работы
электрорадиоэлементов
19
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.
Расчет в системе OrCAD:
1.0V
3,7-3,8 В.
0V
5
-1.0V
CH2
3,0 В.
4
3
-2.0V
2
-3.0V
1
CH2
0
-4.0V
-1 0
-5.0V
0.2ms
V(R2:1)
10.0ms
V(U2:OUT)
20.0ms
V(U4:OUT) V(R51:2)
30.0ms
V(U8:OUT)
Time
40.0ms
V(R20:1) V(C10:2)
50.0ms
V(S17:4)
60.0ms
20
40
60
80
100
120
-2
-3
-4
-Допустимое значение напряжения сигнала
-Недопустимое значение
Отличия от номинальных значений
ЭРЭ – 1% (9-я приемка)
Значения в OrCAD получены путем
задания параметров ЭРЭ в усилительных
каскадах, с учетом допустимого по ТУ
разброса и температуры
Предлагаемый вариант реализации автоматизированного итеративного
моделирования электрических и тепловых процессов с применением
конвертера
1
1 Ввод
электрической
принципиальной
схемы
2
5
4
2 Ввод конструкции
3
изделия
3 Ввод конструкции
6
4 Рассеиваемые ЭРЭ
7
печатных узлов
мощности
8’
5 Суммарные рассеиваемые
мощности узлов
6 Интегральные температуры
узлов
7 Рассеиваемые ЭРЭ мощности
и граничные условия
8 Температуры ЭРЭ
8’ Температуры ЭРЭ в формате данных для
OrCad. Следующий цикл итерации
Подпрограмма
составления
заданий на
моделирование в
OrCad
Конвертер
данных
8
20
Использование функции чувствительности
для оценки разбросов параметров
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:
y
Задача – получение функций
чувствительности
для
всего
множества элементов ЭС
y  Aq q
Для
получения
функции
чувствительности
элементов БРЭа, разработчик, может использовать
аналитические
методы
(1)
или
принцип
непосредственного анализа исходной расчетной
модели (2).
1
2
21
 y j   
A    
q
 qk 
yj
qk
j,k-индексы:
выходной
хар-ки y и параметра q;
q˚ - значения параметров
 Aqy11
 y2
A
Aqy   q1

 AqyN
 1
q  q  q
Aqy21
Aqy22
Aqy2N
AqyL1 

y2
AqL 


yN
AqL 
y  y  y
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
Анализ
внешних
воздействий по их
важности
для
данного ЭС
Предварительный
анализ ЭС с точки зрения
влияния
физических
процессов друг на друга.
Идентификация
моделей
Для
уменьшения
размеров
задачи,
предлагается
ограничиться
некоторым набором
параметров
ЭРЭ,
который
определяется
разработчиком
Моделирование с
учетом разбросов
параметров
элементов
Используются
программные
средства
компьютерного
моделирования, такие как
подсистемы «АСОНИКА»,
OrCAD, Компас, MatLab и
т.п.
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
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,…
Матрица функций
чувствительности
 Aqy11
 y2
A
Aqy   q1

 AqyN
 1
Aqy21
Aqy22
Aqy2N
AqyL1 

AqyL2 


yN
AqL 
Реализация расчетов БРЭА с учет разбросов
параметров и их вариаций при использовании
программных средств
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.
spice - программа
Разработчик
Программаконвертор
Математический
аппарат функции
чувствительности
АСОНИКА-Т, -ТМ
Вариант
итеративного
моделирования
Метод расчета с учетом разбросов параметров
и их вариаций при конструировании БРЭА
ТЗ,
предлагаемая
реализация
изделия
Разработка
моделей
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
Учет
разброса
параметров
элементов
25
Учет
вариаций
параметров
элементов
Расчет
надежности
Основные этапы разрабатываемого метода
26
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;

Разработка конструкции ЭС по сформулированным предложениям;

Проверочное комплексное моделирование электрических схем и
тепловых процессов с учетом других факторов.
Расчет надежности, проверка на соответствие ТЗ

Спасибо за внимание