7.2. Компоновочные схемы и конструкции блоков

Под компоновкой блоков следует понимать взаимную ориента­цию ячеек или других конструктивных зон (электрической комму­тации, механических элементов и т. п.) в заданном объеме блока. Чтобы определить факторы, влияющие на габариты и конструк­тивное построение блоков, и установить их взаимосвязь, необхо­димо рассмотреть существующие конструкции блоков. Рассмотрим разъемный и книжный варианты конструкции, наиболее часто ис­пользуемые в РЭА (рис. 7.1, 7.2).

По эксплуатационному назначению всю РЭА можно разбить на три основных класса: аэрокосмическая, морская, и наземная. Каждый класс делится на группы, характеризующие место уста­новки (носитель) для конкретной аппаратуры. С учетом требова­ний, соответствующих условиям эксплуатации, предусматривается определенное использование элементов НК-

Требования по механическим воздействиям влияют на выбор зазоров между ячейками с учетом деформации печатных плат яче-

с

5

JL

ПППГ1

Li

5

пг

u"L J Ъ

Рис. 7.2. Вариант блока книжной конструкции РЭА

ек элементов НК (рамки, ребра жесткости и т. д.), элементов крепления (приливы, кронштейны, шарниры, бобышки и т. д.), элементов конструкции корпуса блока и элементов крепления бло­ков в стойке, шкафу и т. д.

По климатическим требованиям условия эксплуатации оказы­вают влияние на вариант исполнения корпуса блока: герметичный, негерметичный. Повышение требований по механическим и клима­тическим воздействиям на аппаратуру приводит к увеличению вспомогательного объема блока, что в свою очередь влечет за со­бой увеличение полного объема блока.

Следующим основным фактором, влияющим на габариты бло­ков, является применяемая элементная база и число элементов, размещаемых в блоке. При разработке современной аппаратуры широко используются достижения в области микроэлектроники. Широкая гамма разработанных и серийно выпускаемых ИС раз­личной степени интеграции в сочетании с МСБ позволяют даже при значительном увеличении числа элементов в принципиальной электрической схеме блоков сокращать их габариты, что достига­ется повышением плотности упаковки элементов. Дальнейшее уве­личение степени интеграции ИС и МСБ, использование новых фи­зических принципов функционирования, достижения в области пленочной и полупроводниковой электроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники и в других разделах физики твердого тела поз­воляют создавать совершенную по своим тактико-техническим и экономическим характеристикам микроэлектронную аппаратуру.

Элементы электрических соединений в блоках влияют на раз­меры зон электрической коммутации, которые разделяются на внутриблочные и межблочные. Внутриблочная зона образуетс

я

элементами электрической коммутации между ячейками внутри блока, межблочная — элементами электрической коммутации между блоками в шкафу, стойке, пульте и т. д., с учетом объе­мов, занимаемых частью межблочных электрических соединителей, входящих в полный объем блоков. Межблочные электрические со­единения могут осуществляться: жгутовыми соединениями с по­мощью объемных проводов, разъемами, соединителями и гибки­ми шлейфами или гибкими кабелями и коммутационной печатной платой.

Электрические соединители в ячейках занимают в блоках зону, равную 25—35 мм, что увеличивает одну из сторон блока в зави­симости от выбранного варианта компоновки. Жгутовые соедине­ния, гибкие печатные и коммутационные платы увеличивают габа­риты корпуса блока на 15—20 мм в двух взаимно перпендикуляр­ных направлениях. Для обеспечения в блоках РЭА нормального теплового режима применяются различные системы охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды, максимально до­пустимой температуры ЭРЭ, варианта исполнения корпуса блока (герметичный, негерметичный) и варианта конструкции и компо­новки ячеек в блоке.

Воздушная система охлаждения при естественной конвекции вызывает необходимость выполнения зазоров между ячейками 6— 8 мм для обеспечения нормального теплового режима внутри бло­ка. Воздушная система охлаждения с принудительным охлажде­нием позволяет уменьшить зазоры между ячейками до 2 мм, од­нако вызывает увеличение объема блока на 10—15% за счет ус­тановки вентилятора или воздуховодов.

В сочетании с перечисленными системами охлаждения приме­няются кондуктивные теплостоки, т. е. вводятся радиаторы, тепло- отводящие шины, тепловые трубки, оребрение корпусов блоков и т. д., что также увеличивает габариты блоков (на 20—25%) и влияет на размеры их НК- Метод изготовления элементов Н'К бло­ков (штамповка, литье, прессование, механическая обработка) влияет на их габариты. Особое внимание следует обратить на га­бариты блоков и конструктивное исполнение вариантов компонов­ки ячеек и зоны внутриблочной электрической коммутации в по­лезном объеме блока (рис. 7.3). Как видно из рисунка, полезный объем блока можно условно представить в виде двух объемов: объема Vi, занимаемого функциональными ячейками, и объема V₂, занимаемого под элементы электрического соединения и их электрический монтаж.

Для рассматриваемых вариантов I я II компоновки эти объе- емы можно выразить следующим образом:

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭА 4

P = mj. (1.1) 9

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И УНИФИКАЦИЯ НЕСУЩИХ 27

КОНСТРУКЦИЙ РЭА 27

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ, ГИБКИЕ ШЛЕЙФЫ И КАБЕЛИ 49

+ 4) K+r_tnmla(JV„-l) + 2/₀,„; 75

°с.п = С₁р (b/hf. (5.8) 1

Li 3

пг 3

Рис. 7.3. Схема компоновки блоков:

^L- ¹¹ • ^в~ длина, высота и ширина блока; L_K, Н_к, В_к — ччсти блока, занимаемые элемен­тами внутриблочного электрического соединителя (коммутации)

Из рассмотрения формул (7.1) —(7.3) видно, что наиболее ра­ционально использовать варианты компоновки V и VI и наименее рационально варианты I, II, поскольку в блоках РЭА, как пра­вило,

L>//;L>B;//>j3. (7.4)

Отсюда получаем следующие неравенства:

yv.vi > ут,iv _> уi^.ii _; у/,// > ут,iv_>Vv.vi _ _{(7 5)}

Однако практика конструирования блоков РЭА показала, что варианты компоновки II и VI не применяются, так как имеют очень плохие условия как для естественной конвекции, так и при принудительном охлаждении из-за перекрытия зоны прохождения потока воздуха внутри блока.

Варианты компоновки I и III позволяют установить значитель­но большее число ячеек по сравнению с вариантами IV, V. С уче­том условия (7.4) это следует из неравенства

L/h_H > B/h_a, (7.6)

где И_я — шаг установки ячеек.

При рассмотрении вариантов компоновки, /, III—V следует от­метить, что для книжных конструкций предпочтительнее вариан­ты IV и V, так как данные конструкции должны иметь относи­тельно небольшое число печатных плат (ячеек) по сравнению с разъемными конструкциями, что связано с невозможностью по­лучения достаточного раскрыва ячеек. При естественной конвекции для блоков разъемной конструкции применяют вариант компонов­ки III. При необходимости использования принудительного охлал<- дения в разъемных конструкциях применяется вариант компонов­ки I.

При естественной конвекции в книжных конструкциях исполь­зуются варианты компоновки IV и V. Эти варианты могут быть использованы и при необходимости принудительного охлаждения с условием установки вентилятора на заднюю или лицевую па­нель блока для варианта IV и при обеспечении воздушного потока снизу для варианта V.

Как отмечалось ранее, на выбор варианта компоновки оказы­вает влияние необходимое число выходных контактов с печатной платы ячейки. С этой точки зрения для разъемной конструкции предпочтительным является вариант компоновки I и для книжной конструкции вариант компоновки IV. Но, как видно из условий (7.5) и (7.6), при использовании вариантов компоновки / и IV уменьшается полезный объем, поэтому на данном этапе проекти­рования блоков РЭА следует идти на компромисс.

Следующим фактором, влияющим на выбор варианта компо­новки блока, является соотношение его линейных размеров: дли­ны, ширины и высоты. В качестве примера можно указать, что книжные конструкции, выполненные по варианту компоновки V, имеют максимальную плотность компоновки элементов в блоке, но в этом варианте недостаточно рациональное соотношение сторон печатной платы ячейки приводит к определенным трудностям при проектировании печатного монтажа. Поэтому печатные провод­ники на плате становятся длинными, что ведет к увеличению па­разитных емкостей и шага установки ИС на печатной плате по сравнению с вариантом компоновки IV. Минимальная ширина бло­ков книжных конструкций должна быть не более 120 мм. Для бло­ков разъемных конструкций минимальные размеры высоты и ши­рины блоков должны быть: для варианта компоновки I: ^1180 мм; Bmin^l20 мм; для варианта компоновки III: ^ 180 мм; В_га!п^180 мм.

Таким образом, все рассмотренные факторы так или иначе влияют на выбор варианта конструкции блоков и соответственно на его габариты. И правильность выбранной конструкции в про­цессе эскизной проработки должна определяться комплексом аб­солютных (объем, масса блока, надежность и т. д.) и относитель­ных (коэффициент использования полезной площади, объема, мас­сы и т. п.) конструктивных показателей, а также коэффициента плотности упаковки. Методика расчета таких показателей рассмот­рена в [2].

Как уже отмечалось, конструкции ячеек, рассмотренные в гл. 6, предусматривают возможность установки их в различных видах аппаратуры, обеспечивая при этом необходимое требование по га­баритным, установочным и присоединительным размерам, а также по условиям эксплуатации. Выполнение требований, предъявляе­мых к блокам в отношении их конструктивного исполнения, габа­ритов и других параметров, учитывающих внешние воздействия (климатические, механические и др.), обеспечивает возможности