Разработка методики программного тестирования цифровых устройств с помощью программного пакета Design Center

Для выхода нашей станы из экономического кризиса необходимо повышение темпов и эффективности развития экономики на базе уско­рения научно-технического прогресса, техническое перевооружение и реконструкция производства , интенсивное использование созданного производственного потенциала, совершенствование системы управле­ния, хозяйственного механизма и достижение на этой основе даль­нейшего подъема благосостояния народа. Исходя из этого необходимо на основе проведения единой технической политики во всех отраслях народного хозяйства ускорить техническое перевооружение произ-

водства, широко внедрять прогрессивную технику и технологию,

обеспечивающие повышение производительности труда и качество про­дукции. Необходимо обеспечить создание и выпуск новых видов при­боров и радиоэлектронной аппаратуры, основанных на широком приме­нении микроэлектроники.

В настоящее время этап развития микроэлектроники и аппара­тостроения на ее основе можно назвать этапом интегральных схем (ИС).

Интегральные схемы, являясь основной элементной базой микро­электроники, позволяют реализовать подавляющее большинство функ­ций радиоаппаратуры.

Микрокомпоненты, применяемые совместно с ИС, должны быть совместимыми с ними по конструкции, технологии и уровню надежнос­ти. В некоторых случаях оправдано применение гибридных интеграль­ных схем (ГИС). Это объясняется следующими обстоятельствами:

Технология ГИС проста и требует меньших, чем полупроводнико­вая технология затрат на оборудование и помещения.

Технологию ГИС можно рассматривать как перспективную по сравнению с существующей технологией многослойного печатного монтажа.

Пассивную часть ГИС изготавливают на отдельной подложке, что позволяет достигать высокого качества пассивных элементов при не­обходимости создавать прецизионные ГИС.

Основной проблемой при создании микроэлектронной аппаратуры (МЭА) является выбор конструкции, а также:

- обеспечение теплового режима;

- обеспечение надежности;

- обеспечение компоновки и соединений;

- снижение стоимости МЭА.

При проектировании конкретного образца МЭА должны учитывать­ся:

- назначение и область применения МЭА;

- заданные электрические характеристики;

- условия эксплуатации, определяющие степень воздействия внешней среды;

- требования к конструкции (надежность, ремонтопригодность, масса, габариты, тепловые режимы);

- технико-экономические характеристики (стоимость, техноло­гичность изготовления).

Основным средством миниатюризации устройств является их ин­тегральное исполнение. В силовых устройствах интеграция - это в первую очередь объединение бескорпусных силовых полупроводниковых приборов в общем корпусе. Примером такого силового устройства яв­ляется разрабатываемый силовой микромодуль вторичного источника питания.

Наряду с ГИС применяются малогабаритные сборки, состоящие из силовых транзисторов и диодов.

В основу проектирования силового микромодуля заложены сов­ременные тенденции конструирования ВИП на базе микроэлектронной

технологии их изготовления.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Анализируя задание на дипломное проектирование, видно, что модуль используется как составная часть изделия. Наличие при экс­плуатации изделия влажности до 93% требует предусмотреть защиту

радиоэлементов и печатных плат путем герметизации модуля, а также

пропиткой и заливкой. Так в частности трансформатор преобразова­теля заливается . Герметизация модуля обеспечивается с помощью резиновой прокладки по периметру между крышкой и корпусом. Наибо­лее сложным вопросом является обеспечение нормального теплового режима при эксплуатации в диапазоне температур - 40-60^o С.

Основное влияние температуры будет сказываться на радиоэле­менты и особенно верхний предел температуры +60^o С. С этой целью выбор элементной базы произведен исключительно по техническим ус­ловиям и ГОСТам, что исключает ошибки в выборе элементной базы. Все выбранные радиоэлементы обеспечивают предельные температуры эксплуатации. Такой режим достигается благодаря особенности конс­трукции. Особенность заключается в том, что большинство теплонаг­руженных элементов имеют хороший тепловой контакт на корпус моду­ля. Так, например, трансформатор преобразователя находится в гнезде корпуса. Корпус выполнен из материала Д16, обладающим хо­рошей теплопроводностью, а для большего уменьшения теплового соп­ротивления, там где это необходимо, применяется теплопроводящая паста КНТ-8. Все это позволяет спроектировать модуль в заданных габаритах.

Механические нагрузки на модуль довольно значительные, т.к. он эксплуатируется в изделии устанавливаемом на подвижных объек-

тах Однако, вся конструкция модуля и его элементов отвечают тре­бованиям вибро- и ударной устойчивости, заданной в ТЗ.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что модуль обеспечит заданную надежность P(t)=0,9 при t=5000. Проведенный в дальнейшем расчет надежности должен показать правильность выб-

ранной элементной базы и самой конструкции модуля. При меньшем

расчетном значении надежности потребуется пересмотр элементной

базы вариантов и способов охлаждения и возможно всей конструкции

модуля.

Так, применение бескорпусных транзисторов 2Т3642Б-2,

2Т376Б1-2, 2Т397А-2 и др., а также пленочных резисторов R1-12, особое значение приобретает полная и тщательная герметизация всего корпуса.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Проблема создания экономичных, надежных, малогабаритных ис­точников электрической энергии для питания современных радоэлект­ронных устройств становится все более актуальной.

Этой проблемой заняты специалисты всех стран мира

Большое внимание уделяется и повышению КПД вторичных источни­ков питания, т.к. количество их возрастает вместе с теми устройс­твами, где они используются. Одновременно растут требования и к стабильности питающей напряжения РЭА.

Поэтому правильный выбор схемы блока питания играет большую роль в получении высокого КПД.

С этой целью была выбрана схема микромодуля питания с широ­ко-импульсной модуляцией.

Блок питания обеспечивает стабилизацию выходного напряжения с одновременной фильтрацией низкочастотных составляющих входного напряжения.

Входное напряжение может изменяться от 20 до 30 В, а выход­ное напряжение при всех дестабилизирующих факторах (изменение входного напряжения, температуры окружающей среды, тока нагрузки) изменяется в пределах 25+1,25 В.

В основу регулирования заложен стабилизированный преобразо­ватель с широтно-импульсной модуляцией. Микромодуль включает в себя входной фильтр, схему управления, промежуточный каскад, трансформаторный преобразователь, выпрямитель, выходной сглажива­ющий фильтр. Входной фильтр состоит из конденсаторов С₁₈...С_24, дросселя Др1 и обеспечивает подавление пульсаций рабочей частоты преобразователя, а также обеспечивает непрохождение ВЧ пульсаций бортсети в выходную цепь.

Микромодуль состоит из двух силовых токовых ключей на тран­зисторах Т₁₃,Т₁₄,Т₁₇...Т₂₆ и транзисторов Т₁₅,Т₁₆,Т₂₇...Т_36, трансформатора Тр2. Резисторы R₄₆,R₄₇,R₄₈,R₄₉ обеспечивают необ­ходимый режим токовых ключей.

Микромодуль осуществляет необходимую трансформацию напряжения и при необходимости может произвести гальваническую развязку вы­ходного напряжения.

Выпрямление переменного прямоугольного напряжения осущест­вляется диодами VD₁₂...VD₁₉, включенных по схеме со средней точ­кой вторичной обмотки трансформатора. Диоды VD₂₀,VD₂₁ и конденса­тор С₄₁ позволяют получить требуемую форму выходного выпрямлен-

ного напряжения в момент переключения диодов выпрямителя.

Сглаживающий выходной фильтр состоит из двух последовательно включенных Г-образных LC-фильтров. Первый фильтр состоит из нако­пительного дросселяДр₃ и конденсаторов С₄₂...С₅₁, второй - из дросселя Др₄ и конденсаторов С₅₂...С₅₇. Первый фильтр производит преобразование широтно-модулированных импульсов в постоянное нап­ряжение. Второй фильтр является фильтром подавления радиопомех и обеспечивает получение заданных пульсаций выходного напряжения.

Схема управления выполнена по гибридно-пленочной технологии и включает в себя задающий генератор (ЗГ) на инверторах У_1.1, У_1.2,У_1.3 и элементах R₉,R₁₀,C₆; генератор короткихимпульсов на У_2.1,У_1.4,У_2.2; генератор пилы на элементах VT₆, R₁₆, C₁₂;

ШИМ-модулятор на усилителе постоянного тока (УПТ) У₁₆; раздели­тель каналов на триггере У_3.1; два (по числу каналов) выходных каскадана У_2.3, VT₇, VT₈, R₁₇,R₁₈,R₁₉,R₂₄,R₂₂,C₈,C₉ - пер­вый канал; У_2.4,T₉,T₁₀,R₂₀,R₂₅,R₂₁, R₂₃,R₂₇,C₁₀,C₁₁ - второй канал; узел защиты от короткого замыкания в нагрузке (У_3.2, У_7.1,У_7.2,У_8.1,У_8.2,R₂₈,R₂₉,R₃₀,R₃₂,R₃₃,R₃₆,R₃₇, VD₈,VD₉,C₁₅,C₁₇) и вспомогательные цепи питания схемы управле­ния.

Первый линейный стабилизатор параметрического типа осущест­вляет питание логических элементов У₁,У₂,У₃.

Второй линейный стабилизатор параметрического типа обеспечи­вает питанием +12 В и +6 В УПТ (У₆).

Дополнительно в схему управления входит узел гашения, обес­печивающий сброс магнитной энергии промежуточного усилительного каскада и тем самым позволяющий получить требуемую форму выходных импульсов этого каскада.

Промежуточный усилительный каскад выходных сигналов по току схемы управления и согласование по уровню. Он включает в себя ак­тивные элементыVT₁₁,VT₁₂,трансформатор Тр1 с вторичной обмот­кой.

Схема работает следующим образом: при повышении выходного напряжения на вход УПТ через резистивный делитель R₅₀,R₃₄,R₃₅ и R₃₁ поступает повышенное напряжение. Пилообразное напряжение, на­ложенное на постоянное напряжение делителя, сравнивается с опор­ным. На выходе УПТ образуются импульсы, более узкие чем это было было до этого момента. В каждом канале суженные импульсы проходят на выход промежуточного каскада, а с него поступают на вход токо­вых ключей. Токовые ключи меньшее время будут находиться в откры­том состоянии. На накопительный фильтр поступают более узкие им­пульсы. Накопительный фильтр производит сглаживание по среднему значению, поэтому выходное напряжение начинает уменьшаться и стремится к своему нормальному значению.

Обоснование и выбор конструкции микроблока питания РЭА

Микроблок является принципиально новым видом конструктивного исполнения микроэлектронной аппаратуры повышенной надежности и высокого уровня интеграции, перспективным направлением в конс­труировании РЭА различного назначения, являющимся дальнейшим и более гибким развитием методов гибридной микроэлектроники.

Анализ радиоаппаратуры показал, что вторичные источники пи­тания в большинстве случаев создаются на дискретных корпусных элементах, в то время как остальная аппаратурная часть строится на интегральной элементной базе.

Результатом такого подхода явилось то, что объем и масса вторичных источников питания составляет до 40-50% аппаратурной части РЭА.

Во многих случаях эти проблемы вызваны несовершенством конс­трукции вторичных источников питания и устройств, отводящих от них тепло. Эти причины сдерживают внедрение интегральных методов проектирования силовых устройств и дальнейшее уменьшение их масс и габаритов. Общеизвестно, что объемные конструкции блоков пита­ния обладают значительным температурным сопротивлением от их ис­точника до его стока. Кроме того корпусные активные и пассивные элементы схемы также обладают большим тепловым сопротивлением, что в свою очередь требует дополнительного увеличения объема конструкции и охлаждающей поверхности.

Тепловой поток от источника тепла до его стока определяется из выражения:

t₁ - t₂

_{Q = ------- ,}

S R_т где Q - тепловой поток;

t₁ - допустимая рабочая температура элементов схемы по ТУ;

t₂ - температура окружающей среды;

S R_т- суммарное тепловое сопротивление от источника тепла до его стока.

R_т = R_iт + R_тс + R_тт

Тепловое сопротивление конструкции определяется из выражения: l

R_т = ---- , l S

где l - расстояние от источника тепла до его стока;

l - теплопроводность;

S - окружающая поверхность;

Из выражения видно, что конструкция силового модуля должна обладать:

кратчайшим расстоянием от источника тепла до его стока

(l должно быть минимальным);

максимальной площадью окружающей поверхности (S должно быть максимальным);

материал теплоотвода должен обладать максимальной теплопро­водностью (l должно быть максимальным).

Наиболее полно этим требованиям отвечает конструкция изде­лия, которая обладает:

- максимальной площадью поверхности при одновременном умень­шении ее объема;

- применением активных элементов с малым тепловым сопротив­лением, т.е. необходимо применить бескорпусные элементы;

- применением конструкции малокорпусных или бескорпусных пассивных элементов (трансформаторы, дроссели);

- применением алюминия, меди, окиси бериллия, керамики 22ХС и им подобных материалов.

Кроме того, такие конструкции обладают минимальной материа­лоемкостью, максимальной простотой монтажа, улучшенными электри­ческими параметрами.

КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МИКРОМОДУЛЯ

Конструкторско-технологическая проблема миниатюризации сило­вых устройств заключается в необходимости создавать и применять специальные бескорпусные полупроводниковые приборы и микросхемы,

специальные намоточные детали и особые методы конструирования,

обеспечивающие плотную упаковку элементов и низкое внутренне те­пловое сопротивление конструкции.

На дюралюминиевой подложке МСБ (l₃=4 мм, 190х130;

l= 170 Вт/м град) расположены дроссели диаметром 36 мм, мощностью 2,8 Вт; диоды диаметром 14 мм и мощностью 1,6 Вт каждый; транс­форматор диаметром 55 мм, мощностью 1,85 Вт; 10 транзисторов диа­метром 10 мм; мощностью по 0,83 Вт каждый, крепятся на медной пластине размером 55х67х2,7 мм.

Применение бескорпусных приборов позволяет уменьшить объем конструкции и довести его до величины полностью определяемой энергетическими соотношениями и условиями охлаждения.

В нашем случае мы рассматриваем тепловой расчет микроузла, который позволяет нам определить картину температурного поля ГИС с помощью расчета тепловых режимов и взаимовлияния элементов.

Примем условные обозначения:

W_i - удельная мощность рассеивания элемента, Вт/см²;

W_{i max} - максимальная удельная мощность рассеивания элемен­та, Вт/см²;

DQ - допустимая абсолютная погрешность перегрева, ^oС;

l - теплопроводность подложки, Вт/м - град;

l₃ - толщина подложки, нм;

R_k - контактное тепловое сопротивление, м² град/Вт;

Z_o - эквивалентный радиус тепла, мм;

r_o - эквивалентный радиус источника тепла, мм;

P_i - мощность источника тепла, Вт;

S_i - площадь поверхности источника, мм²;

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ИСТОЧНИКА ТЕПЛА

Экивалентный радиус подложки

Z_o= 90 мм;

Эквивалентный радиус источника тепла r_o=7 мм;

Критериальную величину рассчитываем по формуле:

|\\\\\\\\\

|\\\ / 17Z_o²

^{j=? B}_i ^{= / --------- ;}

? R_k7l7l_з

|\\\\\\\\\\\\\\\

/ 17(9710^-2)²

^{j = / ---------------- = 3,5; где R}_k ^{= 10-3,}

? 4710^-37170710^-3

B_i - критерий Био;

j - критериальная величина.

Для нахождения критерия f необходимо определить отношение r/Z_o.

Определяем функцию f(r/Z_o,j) по таблице;

Y(r/Z_o,j)=0,5064

При r=r_o определяем тепловой коэффициент F(r_o); отношение r/Z_o,j= 0,7/9,0=0,078

1

F(r_o)= ----- Y(r/Z_o,r/Z_o,j)

2l₃7l

F(r_o) = 0,37 град/Вт

Температура в точке r=r_o составляет

t(r_o)7t_c = P7F(r_o)

t(r_o) = 70,6 град

t_c принимается равной t^o устройства и равно 70^o.

Рассчитываем коэффициент F(r/Z_o) для следующих точек:

r/Z_o=0,2;0,3;0,6;1.

Из таблиц находим функцию Y для этих точек:

Y(0,2)=0,228 Y(0,6)=0,0376

Y(0,3)=0,136 Y(1)=0,0158

Тепловые коэффициенты равны:

F(0,2)=0,17 F(0,3)=0,10

F(0,6)=0,03 F(1,0)=0,012

Перегревы в этих точках составляют:

Q(0,2)=0,27 Q(0,6)=0,048

Q(0,3)=0,16 Q(1,0)=0,02

Вокруг каждого источника делаем окантовку - зону влияния элементов.

2.1.2 РАСЧЕТ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Для каждого i-того источника тепла рассчитывается влияние на близлежащие к центру этого источника точки y-х элементов схемы, которые хотя бы частично заключены в области прямоугольника i-то­го элемента.

Температура любой точки поверхности основания определяется по формуле:

K_i7W_i

Q_i= -_---- 2 e(q₁r₁) + Sign q₂7e(q₂r₁) + Sign r₂7e(q₁r₂) +

(

+ Sign q₂7Sign r₂7e(q₂r₂)2

)

q₁ = d₁^' + |x_o| r₁ = d₂' + |y_o|

q₂ = d₂' - |x_o| r₂ = d₂' - |y_o|

q_o = min q₁r max q₁r

K = ---------- , q_c

D1 D2

где d₁^'= --- и d₂'= ----

l₃ l₃

D1 и D2 - размеры источника тепла;

К_к - коэффициент качества конструкции; l₃

_{Кк= -- . l}

X_o, Y_o - безразмерные координаты точки, в которой определяется перегрев в системе координат, центр которой совпадает с центром

i-того элемента, а оси /1-6/ сторонам i-того элемента;

x_o = x_o / l ₃

_{e(q1r) = e1(qo) - e2(qok)}

e₁(q_o) и e₂(q_ok) даны в таблице.

Определим перегрев Q_1-2 в ближайшей тоске влияния дросселя (элемента 2) на транзистор (элемент 1).

d₁^' = 27,5 / 4 х_о = 4,75

d₂' = 33,5 / 4у_о = 0

q₁ = 11,65 r₁ = 8,4

q₂ = 2,15 r₂ = 8,4

К₁ = 1,4 К₃ = 1,4

К₂ = 4,0 К₄ = 4,0

e (q₁;r₁) = 1

e (q₂;r₂) = 0,9726

e (q₁;r₂) = 1

e (q₂;r₂) = 0,9726

Q_1-2 = 0,197

Перегрев в ближайшей точке влияния дросселя (элемент 2) на диод (элемент 3)

Q_3-2=0,00003

Для остальных элементов:

Диод (элемент 3) Q_1-3 = 6710^-3 на транзистор

Стабилитрон (элемент 5) Q_1-5 = 6710^-3 (элемент 1)

Транзистор (элемент 1) Q_2-1 = 3710^-4 на дроссель

Диод (элемент 3) Q_2-3 = 6,63710^-2 (элемент 2)

Трансформатор (элемент 4) Q_2-4 = 4710^-4

^{Стабилитрон (элемент 5) Q}_2-5 ^{= 3710-6}

Транзистор (элемент 1) Q_3-1 = 0 на диод

Трансформатор (элемент 4) Q_3-4 = 1,6710^-2 (элемент 3)

Дроссель (элемент 2) Q_4-2 = 7710^-6 на трансформа-

Стабилитрон (элемент 5) Q_4-5 = 1,47710^-3 тор (эл. 4)

Транзистор (элемент 1) Q_5-1 = 7,8710^-5 на

Дроссель (элемент 2) Q_5-2 = 7710^-4 стабилитрон

Диод (элемент 3) Q _5-3 = 4,44710^-2 (элемент 5)

Трансформатор (элемент 4) Q _5-4 = 4,44710^-2

РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ПЕРЕГРЕВОВ ЭЛЕМЕНТОВ

Определяем безразмерные параметры элементов схемы:

min(D 1i,D 2i) max(D1 i,D 2i)

q_oi= ------------ и K_i= ------------

l₃ min(D 1i,D 2i)

Удельная мощность рассеивания элементов равна

W_i = P_i / S_i

Перегрев элементов под действием рассеиваемой мощности:

Q _i =K_k7W_i7e (q_oi,k)

Собственный перегрев состоит из перегрева элемента и перег­рева клея

Q _ni = Q _i + Q _кл

Для транзисторов: q_от=6,875K_т=1,2

Для трансформатора:q_отр=6,875K_тр=1,0

Для диода: q_од=1,75K_д=1,0

Для дросселя: q_одр=4,5 K_др=1,0

e ₁(q_от)=0,9999 e ₁(q_одр)=0,99930

e ₂(q_отр)=0,999952 e ₁(q_од)=0,86863

e₂(q_от K_т) = 0 e₂(q_одр K_др)=0,0008

e₂(q_отр K_т) = 4,5 e₂(q_од K_д)=0,05077

K_k = 0,22710^-4 м² град/Вт

W_т=0,224Вт/см²

^W_др^{= 0,28 Вт/см2}

^W_тр^{= 0,08 Вт/см2}

^W_т ^{= 1,02 Вт/см2}

Перегрев элемента под действием рассеиваемой мощности:

Q_т = 0,5710^-5

^Q_др^{= 0,6710-5}

^Q_тр^{= 0,176710-5}

^Q_д ^{= 2,2710-5}

Собственный перегрев элемента:

Q_{н т} = 0,20955

Q_{н тр}= 0,60002

Q_{н д} = 2,12602

Q_{н др}= 8,4006

2.1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНЫХ ПЕРЕГРЕВОВ ЭЛЕМЕНТОВ

Полный перегрев элемента равен сумме собственного перегрева и перегревов, вызванных влиянием остальных элементов схемы.

Температура элементов с учетом влияния других элементов сос­тавит:

t_i = t_oc + Q_ni

t₁=70,46^oC, t₂=78,50^oC, t₃=72,14^oC, t₄=72,14^oC,t₅=70,80^oC

1

Температура элементов таблица

0

КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Материалы, используемые в качестве оснований для печатных плат (ПП), должны обладать совокупностью определенных свойств. К их числу относятся высокие электроизоляционные свойства, доста­точная механическая прочность и др. Все эти свойства должны быть стабильными при воздействии агрессивных сред и изменяющихся усло­вий. Кроме того, материал платы должен обладать хорошей сцепляе­мостью с токопроводящим покрытием, минимальным короблением в про­цессе производства и эксплуатации. Если платы изготавливаются из листового материала, то последний должен допускать возможность обработки резанием и штамповкой.

В качестве материала ПП используем листовой фольгированный материал - стеклотекстолит фольгированный марки СФ 2-50-2,0 ГОСТ 10316-70.

Выбор данного материала объясняется назначением и условиями работы микромодуля. Печатные платы из стеклотекстолита имеют

нужную устойчивость к механическим, вибрационным, климатическим

воздействиям по сравнению с платами из гетинакса. Физико-механи­ческие и электрические свойства сведены в таблицу

Таблица 2 Физико-механические свойства стеклотекстолита

Размеры плат не рекомендуется брать более 240х360 мм при обычных и 120х180 мм при малогабаритных деталях. Это связано с тем, что при больших габаритных размерах ПП увеличивается длина печатного проводника, чем снижается его прочность, снижается сила сцепления печатного проводника с изоляционным материалом, что требуется затем дополнительное сцепление путем предусмотрения до­полнителных контактных площадок и отверстий. Из-за этого увеличи­ваются паразитные связи, что неблагоприятно сказывается на пара­метры устройства (помехи, пульсации, паразитные связи, наводки и т.д.). Одновременно снижается механическая жесткость печатной платы.

Для устранения этого эффекта рекомендуется и целесообразно более квадратная и прямоугольная форма (рекомендуемое соотношение сторон по ОСТ4 ГО.070.011 - 1:1; 1:2; 2:3; 2:5).

Платы всех размеров рекомендуется выполнять с плотностью монтажа, соответствующей классу А. К этому классу относятся пла­ты, у которых ширина проводников и расстояние между ними в узких местах находятся в пределах 0,5-0,6 мм.

Принимается площадь всех элементов 80,6 см², а коэффициенты плотности монтажа равным 0,7, получаем максимальную площадь пе­чатной платы равной 116 см².

Исходя из особенностей конструкции блока, а именно: ограни­чение размеров в целях достижения наименьших габаритов микромоду­ля, печатная плата модуля имеет размеры и форму, изображенную на рисунке

Форма и размеры платы

Зная габариты платы, можно перейти к компоновке элементов на ПП с учетом необходимых зазоров между элементами и рационального их размещения, для снижения паразитных связей и наводок.

Выбираем шаг координатной сетки 1,25 мм согласно ГОСТ 20317-62 и отраслевого стандарта ОСТ 4.ГО.070.011.

Центры монтажных и переходных отверстий расположены в узлах координатной сетки.

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ МИКРОМОДУЛЯ.

Надежность - свойство изделия сохранять свои параметры в за­данных пределах и в заданных условиях эксплуатации в течение оп­ределенного промежутка времени.

Общую надежность можно принимать как совокупность трех свойств: безотказность, восстанавливаемость, долговечность.

Безотказность - свойство системы непрерывно сохранять рабо­тоспособность в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Она характеризуется закономерностями возникновения отказов.

Восстанавливаемость - это приспособленность системы к обна­ружению и устранению отказов с учетом качества технического обслу-

живания. Она характеризуется закономерностями устранения отказов.

Долговечность - свойство системы длительно сохранять работо­способность в определенных условиях. Количественно характеризуется продолжительностью периода практического использования системы от начала эксплуатации до момента технической и экономической целесо­образности дальнейшей эксплуатации.

Методы повышения надежности в зависимости от области их при­менения можно разделить на три основные группы: производственная, схемно-конструкторские, эксплуатационные.

К производственным методам относятся: получение однородной продукции, стабилизация технологии, анализ дефектов и механизмов

отказов, разработка методов испытаний, определение зависимости

показаний надежности от интенсивности внешних воздействий.

К схемно-конструкторским методам относятся: выбор подходя­щих условий нагрузки, унификация узлов и элементов, разработка схем с допусками на отклонение параметров элементов, резервирова-

ние, контроль работы оборудования, введение запаса работы во вре­мени.

К эксплуатационным методам относятся: сбор информации надеж­ности, увеличение интенсивности восстановления, профилактические мероприятия, граничные испытания.

Наиболее ответственным этапом по удовлетворению требований эксплуатационной надежности является этап проектирования.

Насколько всесторонне учтены при проектировании и изготовлении опытного образца условия производства и эксплуатации с точки зре-

ния безопасности в работе, ремонтопригодности, долговечности ап­паратуры, настолько последняя будет обладать эксплуатационной на­дежностью.

К критериям безопасности относятся: вероятность безотказной работы, частота отказов, интенсивность отказов, среднее время

безотказной работы, наработка на отказ.

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, продолжавших исправно работать. Среднем временем безотказной работы называет-

ся арифметическое время исправной работы каждого изделия. В тео­рии вероятности применяются различные законы распределения. Наи­более простым распределением потока отказов во времени является эксплуатационный закон распределения, который рассматривает пос­ледовательность отказов во времени, как простейший поток событий.

Расчет вероятности безотказной работы, когда отказы комп­лектующих элементов распределяются по экспоненциальному закону производится по следующим формулам:

P(t) = e ^t 7e^-t7...7e ^-t

где -lS - суммарная интенсивная отказов РЭА,

l_i - интенсивность отказов комплектующих изделий и эле­ментов.

Интенсивность отказов комплектующих элементов с учетом усло­вий эксплуатаций производится по формуле:

l = l_p 7 K_B

K_B - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации элементов для каждой группы аппаратуры. Для наземной стационарной и возимой аппаратуры K_B=1.

Произведем ориентировочный расчет надежности; он основывает­ся на следующих допущениях:

- интенсивность отказов всех элементов не зависит от време­ни; т.е. в течение срока службы у элементов, входящих в изделие, отсутствующих старение, износ;

- отказы элементов изделия являются случайным событием;

- все элементы работают одновременно, коэффициент нагрузки К_н=0,6.

Исходные данные для расчета вероятности безотказной работы сведены в таблицу

Расчет ведется по формуле:

P(t) = e^{- t}

l - суммарная интенсивность отказов элементов и узлов;

t - время работы микромодуля.

Среднее время работы до первого отказа определяется по фор­муле:

1

T_o = ----- (час) l S

Расчет вероятности безотказной работы будем вести для двух температур:

для нормальной t₁=20^оC и для максимальнойt₂=50^оC, указанной в ТУ.

Для определения интенсивности отказов элементов при t₂=50^оC вводятся поправочные коэффициенты f. Тогда интенсивность отказов будет равна:

lt = lt 7 f

Данные интенсивности отказов сводим в таблицу

Среднее время безотказной работы при двух температурах будет рав­но:

при t=20^оC T = 15243 час

при t=50^оC Т = 11031 час

Для построения зависимости безотказной работы от времени на­работки микромодуля составим таблицу вероятности безотказной работы для двух температур.

1

Данные интенсивности отказов таблица

Вероятность безотказной работы таблица

0

График зависимости вероятности безотказной работы от времени работы микромодуля

Из таблицы видно, что вероятность безотказной работы микро­модуля при t₁=20^оC значительно выше, а приt₂=50^оC ниже. Это обусловлено тем, что при повышении температуры повышается интен­сивность отказов радиоэлементов, т.е. увеличивается разброс их параметров и следовательно расстройка всего микромодуля. Из при­веденного расчета можно сделать вывод, что микромодуль имеет хо­рошую надежность, т.е. можно гарантировать 15240 часов безотказ­ной работы микромодуля при нормальной температуре, 11031 часа при повышенной температуре. Если же исходить из реальных условий работы микромодуля, то можно сказать, что его надежность намного выше, т.к. при расчете принималось, что в работе находятся все элементы микромодуля при максимальной нагрузке, т.е. микромодуль работал в наихудших условиях.

Исходя из полученных расчетных данных видно, что наработка на отказ при заданной надежности 0,8 составляет 3200 часов. Таким образом, разработанная конструкция микромодуля соответствует тре­бованию задания.

Приведенный расчет на ЭВМ внесен в приложение 3.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

МИКРОБЛОКА ПИТАНИЯ РЭА

Анализ технологичности конструкции микромодуля будем прово­дить определяя основные показатели. Стандартами ЕСТПП устанавлива­ется обязательность отработки КД изделий на технологичность на

вех стадиях производства РЭА.

Количественная оценка технологичности конструкции основана на системе показателей технологичности, которые являются критери-

ями технологичности.

Согласно ГОСТ 14201-83 оценку технологичности кон