ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ПРИБОРОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ

Сборник научных трудов

Воронеж 2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ПРИБОРОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ

Сборник научных трудов

Воронеж 2021

УДК 621. 396.6:621.315.616.97:658:562 ББК 32.84

П78

Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств

и систем: сборник научных трудов / отв. ред. А. В. Башкиров П78 [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (6,4 Мб). - Воронеж:

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2021. – 1 электрон. опт. диск ( CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024х768; AdobeAcrobat;

CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана. ISBN 978-5-7731-0983-9

В сборнике научных трудов представлены статьи, посвященные вопросам анализа и прогнозирования надёжности и качества приборов, устройств и технических систем, применению математического моделирования в оптимальном проектировании приборов и устройств различного назначения, физико-технологическим аспектам повышения надёжности промышленных изделий.

Материалы сборника соответствуют научному направлению «Перспективные радиотехнические устройства и системы передачи, приёма и обработки информации» и перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденному Президентом Российской Федерации.

Сборник предназначен для аспирантов и научных сотрудников.

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение надежности и качества радиоэлектронных устройств и комплексов, сложных радиотехнических и телекоммуникационных систем, повышение безотказности и эффективности их функционирования является одной из важнейших задач их проектирования, во многом определяющей области их применения и степень конкурентоспособности.

В статьях, представленных в данном сборнике, рассматривается широкий круг вопросов, связанных с обеспечением и методами повышения качества, надежности и технического уровня радиоэлектронных устройств, технических комплексов, информационных систем на этапах их проектирования, производства и эксплуатации, постановка и методы решения связанных с этим задач.

Опубликованные работы выполнены на базе исследований в области надежности, создания методов построения и проектирования надежных устройств, приборов и систем, анализа показателей качества технических устройств и программнотехнических комплексов и систем, разработки новых качественных материалов и технологических процессов.

3

УДК 621.9

А. В. Ащеулов, О. Н. Чирков

ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКТОРСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТРОЙСТВА ПРОБУЖДЕНИЯ С ОТСЛЕЖИВАНИЕМ ФАЗ СНА

В работе представлено описание функционирования и конструкторское исполнение умного будильника. В основе работы устройства лежит акселерометр, включающийся и отслеживающий двигательную активность перед расчетным временем пробуждения.

Ключевые слова: акселерометр, фазы сна, микроконтроллер.

Трудно проснуться от обычного будильника, а также трудно не заснуть после его выключения. Чтобы решить эту проблему, люди устанавливают несколько будильников утром или ставят сильный сигнал на свои будильники. Решения этой проблемы приводят к дискомфорту при пробуждении, а сильный сигнал может даже привести к стрессу. Были созданы устройства позволяющие отслеживать фазы сна и будить человека легко и естественно.

Исследуемый будильник принимает в качестве установки время начала возможного пробуждения и время его окончания. Он работает от аккумулятора и крепится в любом месте (например, на запястье, как часы). Чувствительный элемент в виде акселерометра MEMS определяет двигательную активность человека во сне и, если она обнаруживается в течение определенного периода времени, активирует будильник. Основа умного будильника - микроконтроллер MSP430F1611 производства TI. Эта конкретная модель была выбрана из-за большого объема оперативной памяти, которая позволяет хранить логи непосредственно в самом контроллере, не прибегая к внешним накопителям. По мере разработки идеального алгоритма можно легко переключиться на любой другой контроллер.

Принцип работы

Как только текущее время достигает времени начала периода пробуждения, двигательная активность отслеживается с помощью акселерометра. При обнаружении активности раздает-

4

ся звуковой сигнал. Если физическая активность во время периода пробуждения не записывается, сигнал будет активирован по достижении конца периода пробуждения. Сигнал отключается нажатием на кнопку (необходимо удерживать 1 с).

Прошивка микроконтроллера выполняется с помощью отладчика JTAG или встроенного загрузчика через COM-порт

(рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема устройства

Питание устройства батарейкой на 3В. Для управления и индикации предусмотрены три светодиода и кнопка питания. Для создания несущей частоты используется кварцевый резонатор, фиксирующий интервал в 1 секунду. Для проигрывания мелодий подключен маленький динамик, обеспечивающий стойкий звуковой сигнал.

Все данные передаются в виде текста, что упрощает использование простого терминала для отладки. В комплекте с будильником идет программа, которая немного упрощает общение с устройством, вычисляет контрольную сумму и другие сервисные функции.

5

Рис. 2. Внешний вид умного будильника

Устройство состоит из следующих частей: печатная плата, крышка, корпус [5]. Исполняемая печатная плата крепится к основанию тремя винтами с полукруглой головкой. Основание изготавливается из черного сополимера АБС-2020-30, и представляет собой четырехугольник с полированными краями. Крепления основания позволяют надежно установить плату устройства [6] (рис. 2). Крышка также изготовлена из сополимерабелогоцвета. Корпус и крышка отлиты методом горячего литья под давлением [2].

Высота корпуса сделана с расчетом удобства использования во сне. Предусмотрены отверстия для выхода звука, а также для трех индикационных светодиодов. Габаритные размеры устройства 55х55х35. В качестве модернизации устройства возможно добавление экрана вывода информации и дополнительных разъемов [7] на корпусе под ремешки, чтобы обеспечить надежное фиксирование во сне [3,4].

Литература

1.Угрюмов У.П. «Цифроваясхемотехника», СПб.: БХВПетербург, 2012г.

2.Ненашев А. П. Конструирование радиоэлектронных

средств: учебник для радиотехнич. спец. вузов [Текст] / А. П. Ненашев. – М.: Высш. шк., 1990. – 432 с.

6

3.Чирков О. Н., Муратов А. В. Получение OFDM сигналов для высокоскоростных сетей WiMax // Труды международного симпозиума «Надежность и качество».- 2012. - Т. 1.- С. 364.

4.Чирков О. Н. Повышение помехоустойчивости высокоскоростной беспроводной системы обмена информации WI-FI

//Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 3. С. 66-67

5.Проектирование электронных средств: учебное пособие / А. В.Башкиров, А. А. Соболев –Воронеж : ВГТУ, 2008 –186 с.

6.Чирков О. Н., Астрединов Р. К. Многополосный преобразователь частоты OFDM // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж, 2018. С. 120-124.

7.Ромащенко М. А., Панычев С. Н., Чирков О. Н. Оптимальные алгоритмы совместной оценки канала радиосвязи и смещения частоты при многолучевом распространении сигнала

//Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 156-162.

8.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

Воронежский государственный технический университет

7

УДК 621.9

Д. А. Пухов, А. В. Суворин, А. В. Бугаев, В. Д. Ашуркин, Д. В. Васильченко, М. А. Ромащенко

РАЗРАБОТКА МОДУЛЕЙ КАЛИБРОВКИ КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭМП НАЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

В данной статье рассмотрены устройства для выявления источников помех электронных средств при помощи программно-аппаратного комплекса, показывающих влияние самоиндукции и импеданс передач на искажение сигнала при различных конфигурациях трассировки платы.

Ключевые слова: ЭМС, печатный модуль, программно-аппаратный комплекс.

Широкое распространение электроники и ее минимизация приводит к необходимости учитывать возможные проблемы в области электромагнитной совместимости (ЭМС) на всех стадиях проектирования и эксплуатации электронных изделий. Для получения данных о работе того или иного устройства необходимо заранее учитывать совместную работу элементов. Причиной помех может стать их взаимное влияние друг на друга, а также конфигурация самого рисунка платы что, в свою очередь, приводит к увеличению себестоимости на готовый продукт, так как на выявление и исправление ошибок в печатной плате может уходить значительное количество времени. Таким образом, целесообразно применение унифицированных средств, таких как программно – аппаратный комплекс с уже готовыми калибровочным и печатными модулями с различными видами конфигураций расположения элементов и дорожек. Различная конфигурация позволит охарактеризовать целый ряд ошибок по ранее полученным результатам и выполнить калибровку программно-аппаратного комплекса с учётом их конфигураций.

Разработанные печатные модули представляют собой часть программно-аппаратного комплекса для решения задач ЭМС и позволяют анализировать помехи при помощи генератора, анализатора спектра, компьютера и специализированного

8

ПО. Назначением разрабатываемы печатных модулей является произведение калибровки измерительных устройств перед их применением в реальных условиях эксплуатации. В установке используется два вида модулей для исследования влияния закона Ленца и импеданса передачи. Калибровка программноаппаратного комплекса необходима для занесения информации о конкретных физических явлениях, происходящих на печатной плате, в память измерений с целью последующего использования в качестве основы при составлении характеристики на реальное тестируемое устройство.

Плата, демонстрирующая закон Ленца, выполняет идентичные функции, что и плата самоиндукции. Вместо гибкого провода на плате размещены дорожки, представляющие, те же аспекты: токи идут по пути наименьшей индуктивности. Если индуктивность высокая, потребуется больше времени для достижения установившегося состояния тока после скачка напряжения на соединении источника. При трассировке на широком заземление переход практически мгновенный. На рис. 1 представлен внешний вид печатного модуля для демонстрации закона Ленца.

Рис. 1. Печатный модуль для демонстрации закона Ленца

9

Плата для демонстрации влияния закона Ленца является зафиксированной версией платы самоиндукции. Различные местоположения провода в эксперименте с самоиндукцией заменяются фиксированными дорожками на плате. Плата имеет один входной разъем (U in) и семь выходных разъемов (U out1- U out7).

В результате испытания на данной установке разработчик может оценить предоставлен ли наиболее близкий путь при трассировке печатной платы или следует окружить трассу дополнительным защитным слоем для улучшения экранирования.

Импеданс передачи (ZT) является основным свойством любого соединения. Разработанный печатный модуль позволяет произвести исследование данного явления путем измерения ZT при использование различных кабелей. Готовый печатный модуль для исследования характеристики сопротивления передачи показана на рис. 2.

На данном модуле исследуется сопротивление передачи при использование различных кабелей. Для проведения опыта задействован анализатор спектра с генератором слежения.

Образец кабеля подключается к двум противоположным разъемам. Выход следящего генератора подключается к входу, а анализатор спектра подключается к выходу.

Рис. 2. Печатный модуль для исследования импеданса передачи

10

В результате анализа с помощью программноаппаратного комплекса разработчик может выявить генерируют ли кабели шумовые напряжения дифференциального режима изза чувствительных токов через свои обратные проводники и указать требуемое сопротивление передачи для своих кабельных конструкций в соответствующем частотном диапазоне.

Преимуществом данного разрабатываемого программноаппаратного комплекса является повышение скорости нахождения и исправления ошибок при работе с электронными средствами в области электромагнитной совместимости элементов печатных плат. Еще одним аспектом применения является возможность использования данной разработки в учебных целях при проведения лабораторных работ для демонстрации помех при работе с ПП.

Литература

1.Комплексные методы обеспечения электромагнитной совместимости и помехоустойчивости электронных систем при сквозном проектировании. Макаров О. Ю., Ромащенко М. А., Верёвкин Д. А. Радиотехника. 2012. № 2. С. 22-27.

2.Ромащенко М. А., Неклюдов А. Л., Васильченко Д. В., Балашов Ю. С. Методика формирования испытательных сигналов для оценки устойчивости электронных средств к ЭМП // Радиотехника. 2020. № 6. С. 19-23.

3.М.А. Ромащенко, А. Л. Неклюдов, Д. В. Васильченко, Методика построения градиентных карт ближнего электромагнитного поля двухсторонних и многослойных печатных плат // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 4. С. 74-78.

4.М. А. Ромащенко, Д.В. Васильченко, А. Л. Неклюдов, С. Н. Рожненко, К. Ч. Колба. Методика сбора и оценки диагностических сигналов при анализе воздействия ЭМП на электронные средства // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 6. С. 98-102.

5.Моделирование ближнего электромагнитного поля конструкций электронных систем с использованием численных методов. Ромащенко М. А., Чураков П. П. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 3. С. 109-112.

11

6.D. V. Vasilchenko, A. N. Necludov, D. S. Seimova, M. A. Romaschenko and S. N. Rozhnenko Software - Hardware Complex for Testing Electronic Means for the Action on Electromagnetic Interference // The VII international young researchers’ conference – physics, technology, innovations (PTI-2020). 2020. Vol. 2313.

7.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

Воронежский государственный технический университет

12

УДК 621.9

А. В. Турецкий, Е. А. Зубкова

ОХЛАЖДЕНИЕ ЧИПА МИКРОПРОЦЕССОРА

Повышение производительности микропроцессора исторически сопровождалось увеличением мощности и увеличением плотности мощности на кристалле, что создает проблемы с охлаждением. В этой статье прослеживается историческая эволюция мощности и влияние мощности и плотности мощности на обобщенные конструкции тепловых решений. Промышленные и академические исследователи соответственно усилили свое внимание на выяснении проблемы и разработке инновационных решений в устройствах, схемах, архитектурах, упаковке и системном уровне радиатора.

Ключевые слова: коэффициент плотности; радиаторы; распределители тепла; микропроцессоры; упаковка; терморегулирование.

В последнее время наблюдается революционный рост производительности вычислений. Эволюция микропроцессоров - одна из наиболее заметных и репрезентативных аспектов компьютерной революции. Следуя закону Мура [1], полупроводниковая промышленность успешно удваивает плотность транзисторов каждые два года, а микропроцессор успешно использует повышенную производительность с каждым новым поколением технологий в соответствии с законом Мура. Одним из исторических последствий повышения производительности микропроцессора является связанное с этим увеличение рассеиваемой мощности.

Данная проблема не нова, она была освещена еще

в1965 году [1].

Вданной статье будут подробно рассмотрены проблемы и решения, связанные с терморегулированием микропроцессоров. В ней будет подчеркнуто более глубокое понимание проблем управления температурой и показаны некоторые инновации, разработанные для решения этих задач.

Микропроцессор обычно требует управления температурой в трех различных средах:

1) охлаждение требуется во время функционального тестирования, чтобы предотвратить временное повышение темпе-

13

ратуры, приводящее к ложным показаниям производительности или сбоям.

2)во время выгорания требуется точный контроль тем-

пературы.

3)во время функционирования в пользовательской среде. Управление тепловой средой имеет важное значение для обеспечения надежной и долгосрочной работы.

Пункт 1) требует временного регулирования температуры и 2) и 3), для первого порядка , требуется устойчивое управление температурой.

Основное внимание в этой статье уделяется 3), т. е. охлаждению микропроцессора в пользовательской среде. Статья начинается с описания тепловой проблемы и описывает влияние горячих точек охлаждения на матрицу. За этим следует описание стратегий теплового проектирования и ограничений, при которых необходимо решить тепловую проблему.

На рис. 1 показана эволюция расчетной тепловой мощности (TDP) в зависимости от частоты, которая является одним из показателей производительности. TDP занимает основное внимание разработчика тепловых решений и представляет собой максимальную устойчивую мощность, рассеиваемую микропроцессором в ряде реалистичных условий. Возможны кратковременные всплески активности, когда мощность, рассеиваемая микропроцессором, превышает TDP, но если всплески в пределах тепловой постоянной времени не нарушают тепловые характеристики микропроцессора, они не представляют интереса для теплового проектировщика. Современные микропроцессоры также включают в себя усовершенствованные тепловые мониторы и отказоустойчивые механизмы, которые предотвращают серьезные сбои, автоматически отключая микропроцессор, если температура превышает заданный предел. Таким образом, проектирование TDP является подходящим для обеспечения надежной долгосрочной производительности.

14

Рис. 1. График исторической тенденции изменения TDP микропроцессора в зависимости от частоты. Данные основаны на микропроцессорах Intel и различные символы на графике

представляют различные классы микропроцессоров

Рис. 2. Иллюстративные ИК-изображения двух типичных микропроцессоров, показывающие горячие точки на матрице из-за неравномерного распределения мощности на матрице

Как видно из рис. 1, TDP в прошлом неуклонно увеличивался с увеличением производительности микропроцессора, что

15

требовало повышенного внимания к управлению температурой. Переход на многоядерные микропроцессоры должен смягчить рост TDP за счет повышения производительности, и ожидается, что для каждого сегмента продуктов будет установлен предел мощности. Однако, в дополнение к TDP, инженерам по тепловому проектированию необходимо учитывать тепловую неоднородность (обычно называемую горячими точками, где возможны плотности мощности 300þ Вт/см2), вызванную неравномерным распределением мощности на матрице (рис. 2).

Тепловое воздействие неравномерного распределения мощности схематически проиллюстрировано на рис. 3. Проблема управления температурой заключается в транспортировке TDP с поверхности матрицы, где температура горячей точки поддерживается на уровне или ниже определенной температурной спецификации (обычно называемой температурой соединения Tj) для обеспечения надежной работы, в окружающий воздух при температуре Ta. Передача TDP осуществляется путем пропускания через множество твердых слоев и интерфейсов упаковки в радиатор, пропускания через основание и в ребра радиатора и, наконец, конвекции из ребер радиатора в поток охлаждающего воздуха.

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая типичную карту мощности штампа и горячие точки на соответствующей карте температуры

штампа. Красная область представляет собой самое высокое температурное пятно

16

Используя простую модель теплового сопротивления, требование охлаждения может быть представлено в виде

Требуемое тепловое сопротивление = (Tj-Ta)/TDP

В общих чертах ожидается, что разница температур (Tj-Ta) будет медленно уменьшаться с течением времени, поскольку Tj может быть снижена за счет ожиданий надежности и производительности, а Ta может быть повышена за счет нагрева воздуха внутри коробки, вызванного увеличением интеграции и уменьшением размеров коробки. Таким образом, тепловая проблема может становиться все более сложной либо из-за увеличения TDP, снижения (Tj-Ta), либо из-за сочетания того и другого. Разработчик теплового решения сталкивается с проблемами разработки теплового решения, которое имеет тепловое сопротивление на уровне или ниже требуемого теплового сопротивления.

Общая стратегия управления теплом направлена на:

1)минимизацию воздействия локальных горячих точек за счет улучшения распространения тепла;

2)повышение рассеивающей способности тепловых ре-

шений;

3)расширение тепловых оболочек систем;

4)разработка тепловых решений, отвечающих ограничениям по затратам, обусловленным деловыми соображениями;

5)разработка решений, которые соответствуют особенностям форм-фактора конструкции корпуса.

Таким образом, управление температурой является технической и экономической проблемой. Стоимость является одним из наиболее важных соображений при выборе теплового решения и часто является причиной того, что новая технология может столкнуться с препятствиями для внедрения, особенно если она не может заменить существующую технологию с точки зрения эффективности затрат. Соображения подгонки также особенно важны, когда все более мощные компоненты необходимо размещать в одном и том же корпусе, чтобы продлить использование одного и того же форм-фактора.

Большинство современных высокопроизводительных микропроцессоров используют схему межсоединения с массивом областей, флип-чипом для подключения активной (схемной) стороны

17

матрицы к подложке из органической или керамической упаковки (схематическое изображениена рис. 4).

Рис. 4. Схема двух основных тепловых архитектур, иллюстрирующая их основной путь теплопередачи (a); архитектура I (b); архитектура II

Подложка упаковки либо припаяна к материнской плате компьютера с помощью сетки паяных соединений, либо имеет контакты, которые вставляются в гнездо, припаянное к материнской плате. Во всех случаях, когда речь идет о высокой потребности в охлаждении и при попытке установить охлаждающие оболочки, разумным предположением первого порядка является то, что основная часть тепла должна быть удалена из неактивной стороны, которая находится дальше от материнской платы. Учитывая ограниченный поток воздуха и наличие значительного количества органического материала с более низкой теплопроводностью на активной стороне, это разумное первое предположение. Как показано на рис. 4, существует две архитектуры теплового проектирования. Архитектура I - это та, в которой голая матрица взаимодействует с радиатором через материал теплового интерфейса (TIM), а архитектура II - это та, в которой встроенный распределитель тепла (IHS) присоединен к матрице с помощью TIM, а радиатор взаимодействует с IHS через второй TIM. Архитектура I имеет более низкий профиль по сравнению с архитектурой II и часто используется для микропроцессоров в мобильных и портативных компьютерах. Архитектура II обычно используется для микропроцессоров в настольных и серверных приложениях.

18

Существует ряд технических и деловых соображений, выходящих за рамки данной статьи, которые диктуют выбор конкретной тепловой архитектуры для приложения.

1.Управление питанием на чипе: Целостная стратегия теплового проектирования должна учитывать все аспекты тепловой иерархии. Одним из ключевых аспектов являются инновации в разработке устройств и микроархитектур, направленных на сокращение TDP [2]. Это выходит за рамки данной статьи и не будет обсуждаться, однако стратегии, реализуемые на уровне устройств и микроархитектур, оказывают значительное влияние на спрос на тепло и будут регулировать масштабы тепловой проблемы в будущем. Первый аспект здесь обсуждается определение TDP и распределение мощности на кристалле. За последние несколько лет между разработчиками микросхем и разработчиками тепловых решений возросло взаимодействие для более точного определения и проверки требований TDP и карт мощности на кристалле. Основываясь на огибающей мощности

икартах, тепловые проектировщики могут вычислять температуру горячих точек и помогать разработчикам микросхем оптимизировать карты мощности, чтобы они были более теплозащищенными.

2.Охлаждение на уровне упаковки: Цель охлаждения на уровне упаковки в архитектуре II состоит в том, чтобы использовать IHS для распределения тепла при транспортировке его от матрицы к радиатору. Радиатор, в свою очередь, рассеивает тепло в местную среду В архитектуре I основание радиатора выполняет функцию IHS с точки зрения распределения тепла. Поскольку архитектура II служит для лучшей иллюстрации стратегии охлаждения, мы будем использовать ее в большинстве обсуждений в этом разделе. Период между затуханием и IHS называется TIM 1 и TIM2 - это материал интерфейса между IHS

ирадиатором.

Как обсуждалось в разделе II-A, необходимо охладить горячую точку при температуре Tj или ниже. По мере увеличения неравномерности на штампе при постоянном Tj-Ta общая охлаждающая способность теплового раствора уменьшается. Это лучше всего иллюстрируется примером расчета влияния неравномерности мощности для типичной карты мощности на рис. 5.

19

Рис. 5. Пример расчета, иллюстрирующий снижение охлаждающей способности из-за неравномерной карты мощности по сравнению с равномерным распределением мощности на штампе. Вертикальные стрелки представляют величину теплового сопротивления каждого компонента

в условиях одинаковой мощности

На рис. 5 показано, что решения по управлению температурой будут работать лучше, если источник охлаждаемого тепла распределен равномерно. Чтобы помочь количественно оценить неоднородные эффекты мощности, был предложен коэффициент плотности (DF), который не зависит от профиля мощности на матрице [3]. DF-это просто отношение фактического теплового сопротивления упаковки в самой горячей точке к нормированной равномерной мощности по площади штампа сопротивление или тепловое сопротивление, и имеет единицы обратной площади A. Два очень разных профиля мощности могут фактически привести к одному и тому же DF и, следовательно, к одинаковым проблемам с управлением температурой. С другой стороны, незначительные изменения в профилях мощности могут привести к очень разным DFs, включая очень разные проблемы в управлении температурой. Этот фактор может помочь в оценке различных схем охлаждения без необходимости понимания в частности, распределения мощности на матрице.

20

3. Конструкция радиатора: Тепло затем передается между IHS и радиатором через другой TIM (TIM2).

TIM2 разработан с учетом соображений, аналогичных TIM1, и с дополнительным требованием, чтобы его можно было переработать. Из-за распространения тепла по основанию радиатора, ребра радиатора имеют более равномерный градиент по сравнению с IHS, а радиатор выполняет основную функцию отвода тепла в окружающую среду. В типичных приложениях для настольных компьютеров для передачи тепла в окружающую среду используется естественная или принудительная конвекция воздуха через ребра на радиаторе. Исторически сложилось так, что радиаторы обычно изготавливались из алюминия; их выбирали из-за соотношения цены/тепловых характеристик и преимуществ по весу. Однако с увеличением TDP все чаще используются материалы с более высокой проводимостью, такие как медь.

Правильно спроектированный радиатор может помочь процессору работать более надежно и свести к минимуму уровень акустического шума, создаваемого системой, позволяя вентилятору охлаждения работать на более низких скоростях. Радиаторы можно разделить на два типа: пассивные радиаторы, которые зависят от потока воздуха от системных вентиляторов или естественной конвекции, и активные радиаторы, которые включают вентилятор для создания прямого воздушного удара для эффективного отвода тепла. Эти конструкции радиаторов в основном используются в настольных, рабочих и серверных системах.

Типичное решение для охлаждения ноутбуков является более сложным, чем для настольной системы. С ограниченным пространством и различным дизайном ноутбука, компоновкой и расположением процессора, решения для охлаждения ноутбуков сильно различаются между ноутбуками разных производителей. Однако во всех ноутбуках процессор использует один или оба из двух методов охлаждения, т. е. пассивное и активное охлаждение. Конструкция на основе удаленного теплообменника (RHE) обеспечивает большую гибкость, поскольку фактический радиатор и вентилятор могут быть расположены далеко от процессора. На рис.6 показана концепция дизайна. Тепло передается от процессора к блоку крепления, через который проходит тепловая труба к RHE. Локализованный воздушный поток на

21

входе затем отводит тепло во внешний воздух. Конструктивные соображения радиатора включают: 1) тепловые характеристики, оптимизированные с учетом доступного воздушного потока и перепада давления, и 2) обеспечение соответствия в компьютерной системе с точки зрения объема и веса.

4. Охлаждение на системном уровне: Важно оптимизировать эффективный локальный поток воздуха через радиатор, чтобы улучшить передачу тепла от радиатора к воздушному потоку шасси и для обеспечения надлежащей вентиляции в системе. Поток воздуха в системе, как правило, определяется конструкцией шасси, размером шасси, расположением воздухозаборников и выпускных отверстий шасси, мощностью и вентиляцией вентилятора источника питания, расположением процессора и размещением дополнительных плат/кабелей/карт памяти/других высокорослых компонентов. Системные интеграторы должны обеспечивать достаточный поток воздуха через систему, чтобы радиатор мог эффективно работать. Надлежащее внимание к воздушному потоку при выборе узлов и строительных систем важно для хорошего управление температурой и надежная работа системы. Типичный список рекомендаций, которые следует использовать при интеграции системы, включает:

-обеспечение того, чтобы вентиляционные отверстия шасси были функциональными и не были чрезмерными по количеству;

-они правильно расположены;

-выбор источника питания, который обеспечивает достаточную вентиляцию, и вентилятора, который в достаточной степени отводит воздух в нужном направлении.;

-использование системных вентиляторов для улучшения воздушного потока внутри системы;

-проверка, что системный вентилятор всасывает воздух

втом же направлении, что и общий поток воздуха в системе.;

-предотвращение горячих точек в шасси за счет оптимизации размещения вытяжных вентиляторов.

22

Рис. 6. Типичный RHE дизайн для ноутбуков

Тепловое управление компонентами, микросистемами и системами микроэлектроники приобретает все большее значение в последние несколько десятилетий и будет оставаться важным в ближайшем будущем при постоянном повышении производительности. Микропроцессор, который наиболее наглядно использовал преимущества эволюции закона Мура, помог определить проблемы управления температурой и стратегии их решения. Интересно отметить, что управление температурой не является совершенно новой темой и обсуждалось как риторическое вопрос в статье, в которой определен закон Мура: можно ли будет удалить тепло, выделяемое десятками тысяч компонентов в одном кремниевом чипе? [1]. Сегодня можно охладить микропроцессор с 1,7 миллиардом транзисторов, что является достижением, которое является результатом значительных инноваций в управлении температурой. Исторически сложилось так, что ключевой технической проблемой, доминирующей в микропроцессорном управлении температурой, была необходимость охлаждения значительного TDP, неравномерно распределенного по матрице, при сохранении разницы температур, определяемой температура горячей точки на одном конце и окружающая среда системы на другом. Ключевыми нетехническими вопросами были соблюдение ограничений по стоимости и формфакторам. Эффективное взаимодействие между разработчиками

23

продуктов, технологами кремниевых процессов, а также технологами упаковки и систем на уровнях проектирования, разработки и исследований привело к инновациям, которые продолжают оптимизировать компромиссы между производительностью и стоимостью и которые привели к нашему успеху на сегодняшний день. Важно понимать возможности и ограничения технологий теплового управления, разрабатываемых в настоящее время в промышленности и научных кругах. Они должны вписываться в целостную стратегию управления и соответствовать требованиям к затратам и производительности.

Литература

1.Г. Мур, Встраивание большего количества компонентов в интегральные схемы,[ Электроника, том 38, стр. 114-117, 19 апреля 1965 г.

2.Чжоу, Инновации и интеграция в эпоху наноэлектроники (основной доклад),[ индиго. Тех. Документы Int. Конференция по твердотельным схемам, 2005, с. 36-41.

3.Дж. Торресола, К. Чиу, Г. Крайслер, Д. Бабушкин, Р. Махаджан и Р. Прашер, Подход с коэффициентом плотности B к представлению влияния карт мощности матрицы на управление температурой, IEEE Trans. Adv. Packag., том 28, № 4, стр. 659-664, ноябрь 2005 г.

4.Дж. Пиплс, Охлаждение сжатием пара для высокопроизводительных приложений,[ Электрон. Охлаждение, том 7,

№3, стр. 16-24, 2001.

5.И. Соусюк, Х. Эртурк, Г. Крайслер, В. Бала и Р. Махаджан, Тепловые устройства, интегрированные с термоэлектрическими модулями с приложениями для охлаждения процессора, представлены на ASME InterPACK’05, Сан-Франциско, Калифорния.

6.Муратов А. В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник научных трудов / А. В. Муратов, О. Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2020. – С. 179.

Воронежский государственный технический университет

24

УДК 621.9

Т. Д. Ижокина, И. В. Свиридова, М. В. Хорошайлова, О. В. Свиридова

АНАЛИЗ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ И РАСЧЕТ ДЛЯ АНТЕННЫ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

По мере увеличения объема услуг беспроводной связи поставщики беспроводной связи устанавливают все больше и больше антенн базовых станций, чтобы удовлетворить растущий спрос. В результате антенные вышки и опорные конструкции доводятся до предела своей мощности по нагрузке. Поэтому поставщикам услуг беспроводной связи и владельцам вышек важно понимать, какое влияние оказывает каждая антенна базовой станции в целом на загрузку вышки.

Антенны базовой станции не только увеличивают нагрузку на башни из-за их массы, но и в виде дополнительной динамической нагрузки, вызванной ветром. В зависимости от аэродинамической эффективности антенны повышенная ветровая нагрузка может быть значительной. В этой статье основное внимание уделяется тому, как определяются значения ветровой нагрузки и эффективные области применения силы сопротивления.

Ключевые слова: ветровая нагрузка, базовая станция, антенны.

Ветровая нагрузка является важным параметром при проектировании конструкции антенны базовой станции, включая башню и несущие конструкции. Это напрямую влияет на надежность применения антенны и безопасность вышки. В последние годы, с быстрым развитием метода пространственного кодирования сигнала (MIMO), антенны становятся все более интегрированными, а размер антенн постоянно увеличивается, что вызывает больше опасений по поводу воздействия ветровой нагрузки антенны на вышку. Оценка безопасности и экономической эффективности башни требует большей точности расчета ветровой нагрузки на антенну[1].

Ветровая нагрузка рассчитывается по следующему урав-

нению:

где Fw – сила ветра, Н;

25

ρ – плотность воздуха, 1,22 кг/м3;

Cdp – коэффициент лобового сопротивления профиля (табличных или экспериментальных данных);

λ – коэффициент коррекции соотношения длины/ширины;

V – скорость ветра, м/с;

A – площадь поперечного сечения, нормальная к направлению ветра (длина*ширина), м2.

Коэффициент лобового сопротивления является ключевым компонентом при расчете ветровой нагрузки на антенну. Его значение варьируется для каждой формы антенны и должно быть определено экспериментально или с помощью вычислительного гидродинамического анализа (CFD). Если известна сила сопротивления антенны, коэффициент сопротивления антенны можно рассчитать, используя следующее уравнение:

В стандарте TIA антенна рассматривается как вспомогательная часть, и определяются только коэффициенты лобового сопротивления панельной и круглой антенн. Однако форма антенной секции обычно находится между панелью и кругом [2].Поэтому сложно точно рассчитать ветровую нагрузку на антенну с использованием этого стандарта. В стандарте

26

EN1991-1-4 коэффициент лобового сопротивления Cdр рассчитывается по следующей формуле:

где C f 0 – коэффициент силы для прямоугольных про-

филей без закругленных углов, как показано на рис. 1,

Ψr – коэффициент уменьшения для прямоугольного сечения со скругленными углами, как показано на рис. 2,

Ψλ – коэффициент конечного эффекта, как показано на

рис. 3.

Рис. 1. Коэффициент силы для прямоугольныхпрофилей без закругленных углов

Рис. 2. Коэффициент уменьшения для прямоугольного сечения со скругленными углами

27

Рис. 3. Коэффициент конечного эффекта

Объект постоянной длины демонстрирует одинаковую структуру воздушного потока вокруг каждого поперечного сечения. Уменьшение сопротивления из-за наличия границ зависит от соотношения сторон длины к ширине. Многие антенны оснащены обтекателями с одинаковыми профилями поперечного сечения, но разной длины [3]. Коэффициент коррекции соотношения сторон используется для учета этого изменения длины антенны (рис. 4). Коэффициент сопротивления антенны (Cda) для заданной длины равен коэффициенту сопротивления профиля (Cdp), умноженному на соотношение сторон (λ).

Рис. 4. Коэффициент коррекции в зависимости от соотношения сторон

28

Среди испытаний на измерение ветровой нагрузки испытание в аэродинамической трубе имитирует окружающую среду, наиболее близкую к реальной естественной среде эксплуатации изделия, и поэтому является наиболее точным методом испытаний.

Испытание в аэродинамической трубе широко используется для измерения ветровой нагрузки и выполнения различных аэродинамических исследований в самолетах, автомобилях, строительстве и других областях. Проверка обеспечивает надежную поддержку для снижения ветровой нагрузки и повышения эффективности защиты от ветровой нагрузки. В антенной промышленности испытания в аэродинамической трубе также используются для определения ветровой нагрузки антенны.

Антенна установлена на столбе. Расстояние между дном антенны и землей аэродинамической трубы превышает 300 мм. Испытательная скорость ветра составляет 150 км/ч. Полюс может свободно вращаться с помощью вращающегося лотка аэродинамической трубы в диапазоне 0-360°. Поскольку антенна имеет симметричную структуру, угол испытания составляет 0- 180°. Выполните тест и записывайте данные каждые 5°/10°, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Испытание антенны в аэродинамической трубе

При любом угле поворота антенны опора, длина которой превышает длину антенны, не экранируется, и ветровая нагрузка может быть уменьшена. Таким образом, ветровая нагрузка и коэффициент сопротивления при испытании в аэродинамиче-

29