Расчеты тепловых режимов блоков РЭА и ЭВА на микросхемах и дискретных элементах: Методические указания по дипломному проектированию

РАСЧЕТЫ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ БЛОКОВ РЭА И ЭВА НА МИКРОСХЕМАХ И ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Методические указания по дипломному проектированию

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания предназначены для расчета тепловых режимов функциональных узлов, ТЭЗов и блоков электронно-вычислительной радиоаппаратуры при выполнении дипломного проекта на стадиях технического и рабочего проектирования. Методика предназначена для расчета стационарных тепловых режимов блоков электронной аппаратуры на интегральных микросхемах (ИС) и дискретных электрорадиоэлементах (ЭРЭ). Работа блока производится в широком диапазоне температур и давлений и ограничена допустимой мощностью рассеивания и конструктивными характеристиками блока, а также данными об условиях окружающей среды. Приведенная инженерная методика расчета основана на  решении системы дифференциальных уравнений теплового баланса, которая характеризует связь между температурой нагретой зоны (тепловыделяющими элементами конструкции), температурой корпуса блока и заданными параметрами (мощностью рассеивания и температурой окружающей среды). Погрешность расчетов не превышает ± 25%.

Методические указания используются при выполнении курсового проекта и домашних заданий по конструированию РЭА и ЭВА, повторяющихся во всех трех измерениях.  В таком блоке наблюдается повышенное температурное влияние отдельных элементов друг на друга, которое необходимо учитывать при расчете.

При расчета задаются: суммарная мощность Р всех источников энергии блока; мощность Р_э, выделяющаяся на ИС или дискретном ЭРЭ; конструкция блока и его размеры; температура и давление окружающей среды. В результате расчета определяется перегрев ИС и ЭРЭ и температура среды около этих элементов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.  Тепловая модель радиоэлектронного или электронно-вычислительного блока.

2.  Суммарная мощность Р, выделяющаяся в блоке, Вт.

3.  Мощность Р_э, выделяющаяся в ИС или ЭРЭ, Вт.

4.  Температура t_о окружающей среды, ^оС.

5.  Давление Р_о, окружающей среды, Па.

6.  Давление Р_δ воздуха внутри корпуса блока, Па.

7.  Геометрические характеристики блока:

длина L₁, ширина L₂, высота L₃, диаметр D, м;

размеры печатных плат в блоке – длина ℓ₁, ширина ℓ₂, толщина печатной платы δ, м;

расстояние ℓ между крайними платами в блоке, м;

коэффициент к_п перфорации корпуса блока;

количество N печатных плат в блоке;

зазор ∆ между печатными платами, ТЭЗами;

общая площадь S_δ внешней поверхности блока, м²;

суммарная площадь S_э поверхности ИС или ЭРЭ и радиатора, м²;

площадь S_ис основания ИС, м²;

величина зазора δ₃ между основанием ИС и печатной платой, м;

расстояние r_iмежду центром рассчитываемой ИС (или ЭРЭ) и центрами остальных элементов, м.

8.  Характеристики вентилятора и блока, охлаждаемого принудительно:

производительность G_в вентилятора (при внутреннем перемещении воздуха), кг. с^-1;

расход G охлаждающего воздуха, кг. с^-1;

коэффициент полезного действия η вентилятора;

расстояние х от торца печатной платы до центра рассчитываемого элемента в направлении движения воздуха, м;

количество элементов n_х в сечении канала на расстоянии х.

9.  Теплофизические характеристики элементов конструкции блока:

коэффициент теплопроводности λ_п диэлектрика печатной платы, Вт. м^-1. град^-1;

коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор между ИС и ЭРЭ и печатной платой λ_п, Вт. м^-1. град^-1;

СТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

На первом этапе расчета определяется перегрев корпуса блока относительно окружающей среды; для блока с герметичным корпусом

∆ t = Р / σ_к,                                                        (1)

для перфорированного корпуса блока

∆ t = к_п Р /σ_к,                                                    (1а)

где σ_к – тепловая проводимость корпуса блока Вт. град^-1.

к_п определяется с помощью графика на рис. 1, на котором приведена зависимость к_п = f( к_п), здесь к_п – отношение суммарной площади отверстий в основании блока к площади основания массива ячеек или ТЭЗов.

коэффициенты теплообмена верхней, нижней граней и боковой поверхности корпуса блока с окружающей средой, Вт. м^-2. град^-1.

Коэффициент теплообмена

α = α_к + α_л,                                                      (3)

где α_к – коэффициент конвективного теплообмена;

α_л – коэффициент лучистого теплообмена.

Конвективная составляющая коэффициента α_к теплообмена корпуса с окружающей средой определяется следующим образом:

задаваясь значением перегрева корпуса блока ∆t, вычислить температуру корпуса блока t_к =  t_с +  ∆t и среднюю (определяющую) температуру t_m= 0,5 * (t_к  +  t_с);

найти закон теплообмена с окружающей средой по номограмме[1] (рис. 2) или с помощью неравенства

∆t≤ (840 / L)³,                                           (4)

где L – определяющий размер плоской или цилиндрической поверхности, мм.

Если неравенство выполняется, то теплообмен подчиняется закону 1/4 степени, в противном случае – закону 1/3 степени.