В.А. Шуваев тепловое проектирование рэс с использованием методов конструктивно-теплового синтеза
Рассмотрены особенности проведения процесса теплового проектирования на основе методов конструктивно-теплового синтеза
Типовая структура процесса теплового проектирования (ТП) современных РЭС не охватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а также не позволяет осуществить комплексный анализ и оптимизацию тепловых характеристик конструкций РЭС.
На основе анализа существующих методов и средств ТП, а также требований, предъявляемых к ним в рамках современных САПР, с учетом выявленных особенностей РЭС выявлены основные направления повышения эффективности автоматизированного ТП /1/, среди которых ведущее место в процессе конструкторского проектирования РЭС занимают следующие:
создание комплексной тепловой модели МЭУ и соответствующего множества математических моделей, позволяющих проводить автоматизированную адаптацию к конкретным конструкциям, а также обеспечивающих построение и использование универсальных алгоритмов моделирования температурных полей на всех этапах теплового проектирования РЭС;
разработка методов конструктивно-теплового синтеза, направленных на получение конструкций РЭС с оптимальными (или заданными) тепловыми характеристиками путем учета температурных воздействий на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования (выбор способа охлаждения; параметрический синтез системы охлаждения; отработка топологии по тепловым критериям).
Выполнение рассмотренных рекомендаций требует наличия в составе комплекса ТП трех типов проектных процедур: анализа, синтеза и вспомогательных, обеспечивающих выполнение первых.
Процедуры анализа температурных полей являются основой построения подсистемы ТП, они позволяют проводить верификацию проектных решений, прогнозировать надежность, а также используются для решения задачи обеспечения и оптимизации теплового режима (ТР).
Процедуры конструктивно-теплового синтеза предназначены для решения оптимизационных задач, т.е. получения вариантов конструкций, наилучших по тепловым критериям, путем получения конструктивных и теплофизических параметров конструкций (габаритов, применяемых материалов, типа корпуса, способа монтажа навесных компонентов, вида охлаждения и параметров теплоотводящих устройств, топологии), обеспечивающих заданные или экстремальные тепловые характеристики устройств в процессе многоэтапной оптимизации по множеству тепловых критериев.
Для температурных полей справедлив принцип суперпозиции, поэтому перегревы обладают свойством аддитивности, следовательно, в общем виде весь процесс глобальной оптимизации ТР может быть реализован в виде решения последовательности N частных задач, которые в общем случае направлены на достижение максимального снижения перегревов для данного МЭУ, т.е. разницы между исходным о и конечным N их значениями
,
что требует формирования на каждом этапе соответствующих целевых функций на базе конкретных тепловых критериев, выбранных с точки зрения наилучшего соответствия решаемой задаче оптимизации ТР. Тогда основной целью процесса оптимального ТП является решение задач оптимизации тепловых характеристик разрабатываемых конструкций РЭС, что и обеспечивает предлагаемый подход.
Следовательно, для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения ТР на всех этапах проектирования, а при создании и отработке конструкции использовать интегрированные процедуры конструктивно-теплового синтеза. Для организации такого процесса необходимо осуществить интеграцию средств моделирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик и средств конструкторского проектирования в рамках САПР РЭС.
Литература
Макаров О.Ю., Шуваев В.А., Чепелев М.Ю. Повышение эффективности современных средств теплового проектирования РЭС // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2005. С. 148-151.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, В.А. Шуваев
ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕПЛОВОЙ
МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИЙ РЭС
Рассматривается структура и способ построения унифицированной тепловой модели, обеспечивающие автоматизированное формирование моделей конструкций РЭС различных типов
Конструктивно-технологические структуры РЭС характеризуются большим разнообразием, что приводит к множеству используемых тепловых моделей (ТМ). Применение различных видов теплоотводов и способов сборки и монтажа также требует учета при разработке ТМ, что делает эту процедуру весьма трудоемкой и требующей специальных знаний и опыта. Поэтому возникает задача унификации применяемых в САПР тепловых моделей РЭС, решение которой должно предусматривать и возможность автоматизации формирования ТМ для пользователей, не имеющих соответствующей подготовки. Ее решение возможно путем разработки комплексной тепловой модели РЭС, которая базируется на использовании множества ТМ простых конструктивных элементов, получаемых при структурной декомпозиции конструкции устройств. В качестве таких конструктивно-тепловых составляющих (КТС) конструкций РЭС целесообразно выбрать следующие: корпус, плата, соединительные слои, внутренние и встроенные теплоотводы, внешние теплоотводящие устройства, выводы, компоненты. Агрегацией этих частей, для которых краевые задачи математической физики имеют относительно простой вид, обеспечивающий получение аналитических решений /1,2/ (это особенно важно для их использования на начальных этапах проектирования), и создаются полные ТМ различных конструкций, что дает возможность реализовать процесс автоматизированной адаптации общей теплофизической модели к конкретным типам конструкций РЭС.
Получаемая модель должна быть адекватной реальной конструкции и тепловому процессу в ней, обеспечивать необходимую точность результатов и полноту получаемой информации, гибкой (инвариантной к количественным изменениям параметров моделируемого изделия) и конструктивной, т.е. пригодной к использованию для проведения конструктивно-теплового синтеза (позволять синтезировать, оптимизировать и выбирать вариант конструкции, схемы функционирования системы охлаждения, значения параметров ее элементов и так далее).
Анализ конструкций современных радиоэлектронных устройств с точки зрения предметной области теории теплопроводности и процессов теплообмена /1-5/ показывает, что для них характерна повторяемость конструктивно-тепловых элементов и их групп. Это позволяет сформировать сложную интегрированную ТМ на основе выделения таких элементов и КТС, а также использовать метод многоуровневого иерархического моделирования температурных полей, позволяющий унифицировать применяемое МО при анализе ТР РЭС различного конструктивного исполнения.
Тогда задача построения комплексной модели этих изделий решается в несколько этапов:
последовательная декомпозиция всей конструкции на относительно простые составные регулярные структуры с возможной минимизацией номенклатуры таких объектов;
разделение полученных КТС на простые элементы, являющиеся каноническими телами, применяющимися в теории теплопроводности (пластина, стержень, цилиндр, шар, параллелепипед, диск и т.п.), или их объединением;
выбор частных моделей для простых конструктивно-тепловых элементов, образующих базовый набор элементарных ТМ;
формализация краевых задач анализа температурных полей для базовых тепловых моделей и составленных из них КТС: определение размерности уравнений теплопроводности, граничных условий, детальности анализа тепловых процессов, т.е. получение соответствующих математических моделей (ММ);
получение решений этих задач в аналитическом виде;
создание библиотеки ТМ и ММ базовых конструктивно-тепловых объектов и КТС.
В результате структурно-тепловой декомпозиции широко применяемых конструкций РЭС предлагается использовать следующие основные базовые ТМ, допускающие аналитическое решение, модификацией и агрегацией которых возможно получить тепловые модели разных КТС и соответственно устройств с различными типами конструкций (для каждого вида базовой ТМ указаны области наиболее целесообразного применения):
ТМ1 - прямоугольный однослойный параллелепипед (трех или двумерная краевая задача для температурного поля - (x,y,z,t), (x,y,t)): основания и крышки корпусов, соединительные слои, кристаллы, подложки (микроплаты), платы, основания радиаторов, пластинчатые радиаторы, встроенные в корпуса ИС пластинчатые кондуктивные теплоотводы;
ТМ2 - неограниченная пластина (трехмерная краевая задача - (x,y,z,t)): кристаллы, подложки и платы для определения i интегрального или дискретного компонента (пленочного элемента), а также при решении задачи размещения;
ТМ3 - стержень произвольного сечения (одномерная краевая задача - (x,t)): внутренние и внешние выводы, теплоотводящие шины, внутренние кондуктивные теплоотводы, тепловые переходы в многослойных платах и подложках, теплорассеивающие элементы радиаторов (оребрение), каналы с жидким теплоносителем;
ТМ4 - цилиндр (трех или двумерная краевая задача - (x,y,z,t) или (r,,z,t), (x,y,t) или (r,,t)): основания и крышки круглых корпусов, соответствующие соединительные слои, дисковые теплоотводы и ребра.
Таким образом, используя принцип агрегации как рассмотренных элементарных ТМ, так и их модификаций и объединений, возможно сформировать тепловую модель произвольной достаточно сложной конструкции РЭС. При этом предложенный подход позволяет автоматизировать процесс формирования таких моделей.
Литература
Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высш. шк., 1985. 480 с.
Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. М.: Высш. шк., 1982. 327 с.
Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и др.; Под общ.. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 512 с.
Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
Л.Н. Никитин, А.Т. Болгов, Н.А. Шанова, А.Н. Ряшенцев,
В.А. Муратов
РЕЧЕВОЙ ОПОВЕЩАТЕЛЬ
В данной статье рассматривается диагностика основных режимов работы автомобиля: показания температуры двигателя, уровня топлива в баке, уровня тормозной жидкости, напряжения бортовой сети, систем освещения
Современные автомобили оснащены большим количеством информационно-указательных приборов и сигнальных ламп, предназначенных для контроля работоспособности их основных систем. Однако получаемая с их помощью визуальная информация, с одной стороны, требует отвлечения внимания водителя от контроля дорожной ситуации, а с другой - не достаточно удобна и не всегда может быть вовремя замечена. Эта проблема особенно актуальна для автолюбителей с небольшим водительским стажем, а последствия ее могут быть весьма серьезны. Например, не вовремя замеченные показания указателя температуры двигателя о перегреве могут привести к выходу его из строя и, как следствие, к большим финансовым затратам. Не менее неприятными могут оказаться и незамеченные отказы других узлов автомобиля, таких как тормозная и смазочная системы, генератор, задние сигнальные фонари и многое другое /1/.
Автомобильные речевые оповещатели (РО), предназначенные для речевого оповещения о срабатывании различных датчиков или, иначе говоря, о состоянии системы автомобиля, выпускают уже давно. Однако сравнительно небольшое число контролируемых параметров, привязанность к той или иной определенной модели автомобиля и довольно высокая цена ограничивают широкое применение этих устройств. Данный речевой оповещатель может быть смонтирован на автомобилях отечественного и иностранного производства. В нем запрограммированы 22 слова и словосочетания, имеющие самостоятельное смысловое значение.
В основных узлах автомобиля установлены датчики, формирующие при срабатывании аварийные сигналы. Датчики подключены к логическому узлу, соединенному с микропроцессором, который постоянно опрашивает датчики и при опознании того или иного аварийного сигнала принимает решение на воспроизведение соответствующей предупреждающей фразы. При включении питания (а также при нажатии на кнопку "Сброс") звучит характерный тональный сигнал, сообщающий о том, что система включена и работает нормально. Далее опрашиваются датчики тех узлов, которые положено проверять до выезда из гаража. Если один из датчиков формирует аварийный сигнал, сигнализатор произносит слово "Внимание" и вслед за ним соответствующую фразу. В том случае, когда через 30 секунд положение не изменилось, звучит слово "Повторяю" и снова воспроизводится тоже сообщение.
Фраза "Задний ход" предназначена для тех, кто ездит на автомобилях ВАЗ моделей 2108 и 2109, у которых положение первой и задней передач находятся рядом, и начинающие водители нередко их путают. Слова "Блокировка дифференциала" и "Задний мост включен" - адресованы владельцам полноприводных машин с принудительным блокированием дифференциала, и звучат они с интервалом в 30 секунд все время, пока эти узлы включены. В таком режиме звучит и фраза "Перегрев двигателя".
Предупреждение "Габарит включен" произносится после паузы в 30 секунд лишь тогда, когда они оказались включенными в светлое время суток.
Затем следует контроль работы двигателя. Если он выполнен, программа возвращается к началу, а если работает на чрезмерно высоких оборотах, звучит фраза "Аварийные обороты двигателя". Далее происходит измерение давления масла, при этом частота вращения коленчатого вала должна быть более 1500 мин"1.
После этого программа измеряет бортовое напряжение, и проверяет, включен ли указатель поворотов. Если он включен более 30 секунд, звучит слово "Поворот включен". В том случае, когда указатель выключают до истечения 30 секунд, а затем снова включают, отсчет времени начинается сначала.
Далее устройство определяет, в каком положении находится автомобиль - стоит или движется. В первом случае программа возвращается к началу, а во втором - начинается опрос датчиков дверей, ручного тормоза и ремней безопасности. Соответствующие фразы звучат дважды с интервалом 30 секунд, но после остановки автомобиля и открывания дверей могут повторяться. При отсутствии пассажира датчик его ремня не опрашивается.
Во время работы стартера уменьшается бортовое напряжение, генерируется сильная электромагнитная помеха, из-за чего возможны самые различные ложные сообщения, не имеющие ничего общего с действительностью. Поэтому при поступлении сигнала о включении стартера оповещатель приостанавливает опрос датчиков бортовой системы автомобиля, начатая до указанного момента фраза звучит до конца.
Речевой оповещатель состоит из микропроцессора (МП), управляющего работой всех основных узлов, памяти программ, памяти звука, входных портов, ЦАПа, фильтра НЧ (ФНЧ) с усилителем звуковой частоты (УЗЧ) и линейки входных компараторов. Структурная схема устройства представлена на рисунке.
К входу компараторов подключены датчик уровня топлива в баке, два датчика температуры двигателя и датчик давления масла соответственно.
Микропроцессор извлекает с частотой 8 кГц из ПЗУ оцифрованный сигнал речевого сообщения, и передает его на выходы регистров звука. ЦАП преобразует сигнал в аналоговую форму. После этого преобразования сигнал сильно "загрязнен" коммутационными помехами. Фильтр НЧ второго порядка с частотой среза 4 кГц отсеивает эти помехи.
Усилитель ЗЧ в стандартном включении нагружен динамической головкой сопротивлением 8 Ом. В нормальном режиме бортовой радиоприемник (или магнитола) соединен контактами реле со своим громкоговорителем. При возникновении на борту какого - либо отклонения от нормы на выходе микропроцессора возникает высокий уровень и после окончания сообщения снова звучит радиоприемник.
Выбор элементной базы изделия осуществляем исходя из требований и условий эксплуатации.
При выборе радиоэлементов, которые будут использоваться в звуковом сигнализаторе, высокие требования предъявим к следующим параметрам:
- стойкость к ударным нагрузкам;
- стойкость к механическим воздействиям;
- интервалу температур;
- стойкости к пониженному атмосферному давлению.
Параметры РЭА, устанавливаемой на автомобиле:
а) вибрационные нагрузки при эксплуатации:
диапазон частот от 10 до 70 Гц; максимальное от 0,8 до 3,8 g;
б) ударные нагрузки при эксплуатации:
максимальное ускорение 15 g;
длительность удара от 5 до 10 мс;
число ударов в минуту от 40 до 80;
в) линейные нагрузки при эксплуатации:
максимальное ускорение 25 g.
Речевой оповещатель - функционально законченное устройство. Конструктивно он выполнен на двусторонней печатной плате, изготовленной из стеклотекстолита фольгированного марки СФ2 - 35 - 2. На печатной плате имеются четыре технологических отверстия. Элементы расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить необходимую плотность монтажа, и вместе с тем, был доступ к каждому элементу. Влагозащита осуществляется покрытием печатного узла лаком ЭП-9114.
Конструкция должна обеспечивать удобное размещение и доступ в процессе эксплуатации, быть компактной и эргономичной, внешний вид должен соответствовать требованиям современной технической эстетики.
Габаритные размеры изделия должны быть не более 220x95x60 мм.
Масса устройства не должна превышать 2 кг.
Надписи на изделии должны быть выполнены стандартными буквам с общепринятыми сокращениями.
Составными частями конструкции разрабатываемого изделия являются: печатная плата, кронштейны для крепления печатной платы, крышки, скоба и передняя панель.
Печатная плата в сборе представляет основную часть устройства. Она изготовлена из двустороннего стеклотекстолита фольгированного марки СФ2-35-2. Его применение целесообразно, так как он обладает хорошими электроизоляционными свойствами, невысокой стоимостью и хорошей обрабатываемостью /2/.
Таким образом, предлагаемый речевой оповещатель позволяет запрограммировать 22 слова и словосочетания, имеющих самостоятельное смысловое значение. Информацию записывают в память с помощью компьютера со звуковой картой. Записав и обработав звук на компьютере, подобрав тембр и звучание, записывают звук в ПЗУ. Затем подключают к адресным входам сканирующий счетчик с простейшим старт-стоповым логическим устройством и получают или дверной замок, или детскую игрушку, или будильник.
При разделении слова на части, например, "аварийный" и "аварийное", разделять лучше на суффиксе "н", отступив немного от него и в корневой части, и в окончании. Так будет меньше заметна "склейка"/3/.
В системе электрооборудования автомобиля и в его бортовой сети очень много электромагнитных помех. Это заставляет питать речевой оповещатель через защитный фильтр. Можно использовать готовый фильтр от вышедшей из употребления автомагнитолы или купить автомобильный фильтр, выполненный в виде отдельного устройства.
Литература
1. Отг В. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 1995. 232 с. ил.
2. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. М.: Высш. школа. 1990. 432 с.
З. Власкин А.С., Годин С.В. Цифровой ревербератор. Сб. "В помощь радиолюбителю". М.: ДОСААФ, 1986. Вып. 95. С. 29 - 41.
Воронежский государственный технический университет
УДК 658.512
А.В. Муратов, С.А. Донец, С.В. Иванов, М.В. Селиванов
СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И НАПРАВЛЕНИЯ
ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Представлен обзор современных систем автоматизированного проектирования печатных плат. Рассмотрены их основные функциональные возможности, приводятся направления их совершенствования
На сегодняшний день следует выделить четыре крупнейшие компании, которые остаются признанными лидерами в области разработки систем автоматизированного проектирования (САПР) печатных плат (ПП). Ими являются: Mentor Graphics, Cadence, Zuken и Altium. Каждая из этих компаний имеет широкий выбор средств проектирования ПП, микросхем (МС) и радиоэлектронной техники на их основе. Разработаны оригинальные алгоритмы, маршруты проектирования и модули, реализующие узконаправленные задачи, для пакетов программ, которые работают между собой с различной степенью интеграции. Рассмотрим более подробно возможности продуктов вышеуказанных компаний.
Компания Mentor Graphics – признанный мировой лидер в области САПР ПП /1/. Mentor Graphics прелагает три базовых маршрута проектирования ПП: классический Board Station, изначально ориентированный на Unix, а сейчас адаптированный под Windows и Linux; Expedition PCB, реализованный в среде Windows (версия для Linux вышла в 2004 году); PADS 2004 (ранее PowerPCB, собственность Mentor Graphics после приобретения компании Innoveda в 2002 году), работающий исключительно под Windows. Первые два маршрута ориентированы на корпоративных пользователей и самые сложные современные ПП. Система PADS 2004 (Personal Automated Desing System) – это система, удовлетворяющая всем современным требованиям к средствам проектирования ПП, является самой распространенной в мире. При относительно небольшой стоимости она обладает функциональными возможностями, которые позволяют успешно конкурировать с системами корпоративного уровня /2/. Сегодня PADS 2004 – это сквозная система проектирования, включающая четыре основных модуля: PADS Logic – схемотехнический редактор; PADS Layout – подсистема интерактивного проектирования топологии печатных плат; PADS Router/PADS AutoRouter – средства автоматической и интерактивной трассировки; PADS HyperLynx – набор средств анализа формы и частотного спектра (целостности) сигналов /3/. Следует подчеркнуть, что средства автоматической и интерактивной трассировки (новейшая разработка в линейке продуктов топологического проектирования PADS) объединены в едином программном модуле, построенном на базе технологии Latium, обеспечивающей системную поддержку объектно-ориентированной базы данных и пользовательского интерфейса. Разработанная внутри компании технология Latium, впервые примененная при создании автотрассировщика (первоначальное название BlazeRouter), оказалась особенно эффективной для интерактивной трассировки (первоначальное название FIRE).
Сегодня учет различных эффектов в электрических цепях ПП, которые могут приводить к деградации сигналов, необходим не только при разработке ПП, работающих на высоких частотах, но и при разработке цифровой аппаратуры /4/. Связано это в первую очередь с широким применением новой элементной базы – компонентов поверхностного монтажа. Время переключения и крутизна фронтов современных цифровых МС достигли таких значений, что уже невозможно обойтись без учета указанных эффектов даже при проектировании традиционной аппаратуры. Вышедшая в 2005 году система HyperLynx версии 7.5 является универсальным пакетом, который может быть использован в любом маршруте проектирования для устранения проблем, связанных с целостностью сигналов, перекрестными наводками и электромагнитной совместимостью (ЭМС), что позволяет получить корректный проект при первом же выпуске платы. Система HyperLynx осуществляет предварительный анализ формы и частотного спектра сигналов на уровне принципиальной схемы (модуль LineSim) и полный посттрассировочный анализ (модуль BoardSim) с учетом параметров, экстрагированных из топологии. Она обеспечивает решение большинства проблем, не прибегая к дорогостоящему макетированию и физическому тестированию, а именно: проводит анализ электромагнитного излучения и наведенного электромагнитного поля трасс проводников на раннем этапе; поддерживает табличные модели, модели IBIS, SPICE и S-параметров; поддерживает анализ и моделирование дифференциальных пар, включая планирование импеданса и оптимизацию параметров согласующих резисторов; проводит анализ перекрестных наводок между корпусами МС, соединенными мультигигабитными высокоскоростными шинами, используя многобитные тестовые воздействия, анализ шума, метод глазковых диаграмм и масок, формируя рекомендации по допустимому взаимному расположению компонентов; обеспечивает точное моделирование передающих линий с потерями, включая анализ скин-эффекта и потерь в диэлектрике (пакет HyperLynx GHz) /5/.
Далее по мощности предлагаемых решений идёт компания Cadence. Для верхнего уровня проектирования предлагается пакет PCB Design Studio /6/. В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с большой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки используется программа SPECCTRA, управляемая обширным набором правил проектирования и некоторыми технологическими ограничениями. Анализ ЭМС топологии платы выполняется с помощью специального модуля SPECCTRAQuest SI Expert; для предварительного анализа проекта и подготовки наборов правил проектирования используется модуль SigXplorer.
Другой продукт компании Cadence, пакет OrCAD рекомендуется как более лёгкое и дешёвое решение для проектирования печатных плат. Данный пакет рассматривается фирмой Cadence как приоритетная система ввода проектов и моделирования: модули Capture CIS и PSpice сейчас поставляются в составе пакета PCB Design Studio. В самую последнюю версию системы OrCAD вошли новые возможности синтеза и моделирования цифровых логических схем NC Sim. Редактор печатных плат OrCAD Layout имеет три различные конфигурации с разными функциональными возможностями. В проекте платы здесь может присутствовать до 30 слоёв, причем из них 16 могут быть сигнальными. Имеются встроенные средства авторазмещения и автотрассировки, а также интерфейс с программой SPECCTRA.
Третьим производителем САПР печатных плат можно назвать австралийскую компанию Altium /7/. В 2002 году компания выпустила в свет пакет Protel DXP, представляющий собой продолжение собственной линии продуктов Protel. Этот пакет обеспечивает сквозной цикл проектирования смешанных аналого-цифровых печатных плат с использованием программируемой логики фирм Xilinx и Altera. Весь инструментарий реализован на базе интегрированной среды проектирования Design Explorer, работающей под управлением операционной системы Windows 2000/XP. К имевшимся ранее средствам посттопологического анализа целостности сигналов (Signal Integrity) добавилась возможность выполнять предтопологический анализ. Но главным новшеством системы Protel DXP стал топологический автотрассировщик Situs, призванный реализовать новый подход к автоматической разводке плат. Последним продуктом компании является новая версия пакета проектирования печатных плат Altium Designer 6.3 (ранее Protel DXP). В системе реализовано графическое аппаратное ускорение с использованием функций Microsoft DirectX 9.0c, что позволит увеличить быстродействие системы более чем в 20 раз /8/. Введена функция одновременной интерактивной трассировки нескольких проводников. Кроме того, введен новый инструмент редактирования, позволяющий "разрезать" сразу несколько проводников. Основу системы Altium Designer (Protel 2004) составляет программная оболочка Design Explorer, которая интегрирует в себе различные модули, выполняющие определенные функции проектирования.
Отметим, что компания Altium продолжает развивать свой второй пакет проектирования печатных плат P-CAD. Результатом стал выход в ноябре 2004 года новой версии P-CAD 2004. Структура системы в новой версии принципиально не изменилась. P-CAD 2004 представлен в виде пакета модулей, который включает редакторы принципиальных схем и топологии, менеджер библиотек и системы цифроаналогового моделирования и анализа целостности сигналов. Отметим, что развитие системы P-CAD тесно взаимосвязано с развитием других продуктов компании Altium. Так, новые модули (Situs, CAMtastic, система цифроаналогового моделирования) были включены в систему в рамках программы DXP Bonus Technologies компании Altium, охватывающей ее основные продукты /9/.
Нельзя не упомянуть ещё один достаточно мощный и популярный в мире продукт Visula японской компании Zuken /10/. Продукты этой компании обеспечивают сквозной цикл проектирования и предлагают мощные средства моделирования и синтеза программируемой логики с последующей разработкой ПП. Здесь имеется стандартный набор инструментария, а также собственные средства авторазмещения и автотрассировки. Следует отметить, что компания Zuken также предлагает пользователям интегрированные средства трёхмерного твердотельного моделирования разрабатываемых устройств. Последний продукт компании Zuken – новая версия популярной системы проектирования печатных плат CADSTAR 9.0 (вышла в 2006 году), одновременно был представлен новый релиз программы объемного проектирования печатных плат CADSTAR 3D. Комплекс средств проектирования CADSTAR предоставляет одно из самых оптимальных решений по соотношению цена/ производительность в мире САПР на платформе персональных компьютеров. Вся система в целом содержит полный набор необходимых инструментов и включает в себя средства схемного ввода, размещения, ручной, интерактивной и автоматической трассировки, анализа целостности сигналов и ЭМС, трехмерного анализа плат в их механическом окружении и подготовки конструкторско-технологической документации /11/.
Также японская компания Zuken предлагает разработчикам продукт Hot-Stage, в котором интегрированы средства анализа целостности сигналов, ЭМС, температурного анализа и другие инструменты, позволяющие учесть особенности проектирования высокоскоростных плат уже на ранних стадиях разработки /12/. Программа Hot-Stage является уникальной системой прототипирования, объединяющей мощные инструменты разработки общей топологии и трассировки с возможностями моделирования, обеспечивая тем самым быстрое и эффективное проектирование высокоскоростных печатных плат. На протяжении всего процесса проектирования возможно проведение глубокого анализа на базе сценариев "что-если", что позволяет инженерам исследовать характеристики проекта и находить компромисс в противоречивых требованиях на параметры целостности сигнала, уровни перекрестных помех, качество синхронизации с учетом механических и температурных ограничений.
Мощность всех перечисленных выше программ в значительной мере определяется встроенными средствами анализа. В этой связи нельзя не отметить некоторые специализированные программы. Современные тенденции развития цифровой техники диктуют необходимость изменения подхода к этой проблеме. Большинство современных программ анализа ЭМС используют модели микрополосковых линий, считающих проводники питания и заземления идеальными, и не учитывают распределение токов в них.
Пионером в данной области выступила компания Sigrity, которая разработала пакет Speed XP /13/. Эта программа использует не упрощённые модели, а численные методы решения электродинамических задач, благодаря чему стало возможным исследование распространения помех по внутренним слоям питания. Однако наличие мощной математики делает программу почти на порядок дороже продуктов ближайших конкурентов, которые предпринимают попытки реализовать аналогичные методы в своих системах, как, например, компания Mentor Graphics.
Из программ, реализующих классический подход к анализу ЭМС, следует отметить компанию Quantic EMC, предлагающую на рынок продукт Omega PLUS /14/. Помимо обычного анализа целостности сигналов и перекрёстных искажений, здесь могут быть получены спектры излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой.
Отдельной задачей проектирования печатных плат является тепловой анализ. Наиболее мощным решением в этой области является программа BETA Soft-Board компании Dynamic Soft Analysis /15/. Здесь также имеются интерфейсы импорта проектов из всех выше перечисленных продуктов, богатые библиотеки моделей и материалов. В процессе расчёта могут быть получены температуры отдельных компонентов, карты прогрева плат, градиент температур. Отметим, что программа BETASoft-Board поставляется как штатное средство теплового моделирования для продуктов Mentor Graphics.
Другая программа теплового анализа Sauna компании Thermal Solutions позволяет моделировать поведение не только плат, но и блоков и шкафов /16/. Здесь присутствуют обширные библиотеки компонентов и материалов. Имеется специальный графический редактор, позволяющий прорисовывать конфигурацию изделий. Система даёт возможность назначать специальные рабочие циклы с учётом включения и выключения внешних источников питания.
Английская фирма Flomerics предлагает пользователям свой пакет Flotherm, главной особенностью которого является интерфейс, построенный на базе современных интернет-технологий на основе обычного браузера /17/. Программа позволяет моделировать отвод тепла от микросхем в современных корпусах PBGA и TBGA, а также дает возможность учитывать технологию поверхностного монтажа перевёрнутых кристаллов (flip-chip). Например, компания National Semiconductor включила в состав своего программного комплекса Webench специальный модуль Webtherm, формирующий цветную карту градиента температур для платы, построенный на базе вычислительного ядра Flomerics /18/.
Из российских программ следует отметить, единственный коммерческий пакет теплового моделирования ТРИАНА (АСОНИКА-Т), разработанный специалистами Красноярского государственного технического университета (КГТУ) и Московского государственного института электроники и математики (МИЭМ). В состав пакета входит редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемой печатной платы или гибридной интегральной схемы, а также специализированный модуль подготовки тепловых моделей. Программа имеет интерфейс с современными системами проектирования печатных плат Protel DXP, OrCAD, Allegro, SPECCTRA, а также старыми, но всё ещё распространёнными в России, версиями P-CAD. Кроме того, пакет может обмениваться данными с тепловизионным диагностическим комплексом ТЭРМИД РЭС.
Как следует из проведенного анализа, современные САПР ПП обладают большими функциональными возможностями. Однако развитие радиоэлектронной техники, базирующейся на компонентах поверхностного монтажа, высокоинтегрированных МС и сверхминиатюрных дискретных электрорадиоэлементах, требует повышения качества, надежности и плотности печатного монтажа многослойных ПП. В связи с этим представляется целесообразным совершенствование САПР в следующих направлениях:
1. Создание программных модулей (ПМ) интегрированных с указанными САПР, обеспечивающих многокритериальную оптимизацию конструкций многослойных ПП по конструктивным, эксплуатационным, электрическим параметрам. В первую очередь, эти модули должны быть ориентированы на решение задачи достижения заданной эксплуатационной надежности плат во взаимосвязи с допустимыми тепловыми нагрузками печатных проводников и межсоединений, исключающими деградационные процессы в диэлектрических основаниях.
2. Отдельного рассмотрения заслуживает задача оптимального выбора технологий изготовления ПП, с учетом их электрических параметров и стоимости изготовления.
3. Модули должны также предусматривать теплофизическое моделирование эффективного отвода тепла с внутренних слоев ПП с использованием специальных теплоотводящих конструктивов.
4. Необходимо также разработать ПМ, которые бы учитывали ограничения на конструктивное исполнение ПП с точки зрения реальных ударных и вибрационных нагрузок.
Литература
1. Лохов А. САПР печатных плат: маршрут Expedition компании Mentor Graphics / А. Лохов, А. Филиппов, И. Селиванов, А. Рабоволюк // Электроника:НТБ. 2004. № 2. С. 28-31.
2. Селиванов И. Обзор маршрута проектирования печатных плат PADS компании Mentor Graphics // Chip News. 2005. № 8. С. 19-22.
3. Иванов А. Давайте знакомится: PADS, PADS 2004 система проектирования печатных плат / А. Иванов, А. Лохов // Электроника: НТБ. 2004. № 8. С. 52-55.
4. Кочиков И. Система HyperLinx компании Mentor Graphics пропуск в мир проектирования высокоскоростных печатных плат // Электроника:НТБ. 2005. № 8. С. 62-66.
5. www.megratec.ru.
6. www.pcb.cadence.com.
7. www.altium.com.
8. www.rodnik.ru.
9. Тархов А. Система проектирования печатных плат P-CAD 2004 // Электроника:НТБ. 2005. № 2. С. 70-72.
10. www.zuken.com.
11. www.eltm.ru/cadstar.
12. Потапов Ю. Система Hot-Stage компании Zuken проектирование высокоскоростных печатных плат // Электроника: НТБ. 2005. № 1. С. 74-77.
13. www.sigrity.com.
14. www.quantic-emc.com.
15. www.betasoft-thermal.com.
16. www.sauna.com.
17. www.flomerics.com.
18. www.national.com.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
И.В. Гузеев, М.Ю. Чепелев
Модульный принцип построения однофазных
систем переменного тока
Рассматриваются особенности построения многомодульных источников бесперебойного питания
Современной тенденцией построения однофазных источников бесперебойного питания (ИБП) среди мировых производителей становится модульный принцип, обеспечивающий наиболее отказоустойчивые и наращиваемые по мощности системы бесперебойного электропитания.
Модульный принцип построения ИБП широко используется многие годы в системах постоянного тока. В основе таких систем заложено параллельное включение выпрямительных модулей на общую выходную шину, что обеспечивает необходимое резервирование системы по принципу "n + x" и возможность наращивания мощности системы при необходимости увеличения числа потребителей. Равномерное токораспределение между модулями обеспечивается согласованием их выходных характеристик: номинала напряжения и внутреннего сопротивления.
Определенные технические трудности осуществления параллельной работы ИБП переменного тока сдерживали развитие многомодульного принципа построения систем бесперебойного питания. В конце 80-х годов нашли применение однофазные системы переменного тока, содержащие параллельно включенные по входу и выходу до шести одномодульных ИБП мощностью 1 - 3 кВА каждый, управляемые по подчиненному принципу "Master – Slave". При этом способе управления отсутствовало резервирование "ведущего" ИБП, который осуществлял синхронизацию "ведомых" ИБП (рис. 1). Кроме того, требовалось использование общего блока коммутации и равномерного распределения тока нагрузки "Parallel Kit". Все это снижало отказоустойчивость системы в целом.
Рис. 1. Подчиненное управление многомодульного ИБП
В последнее десятилетие получило распространение параллельное включение по выходу однофазных инверторов мощностью 1 - 3 кВА с использованием независимого принципа синхронизации системы от любого из инверторов, включенных в нее (рис. 2).
Рис.
2. Параллельное включение инверторов
Число модулей, параллельно подключаемых к нагрузке, может достигать 16 штук. Информационная связь между модулями осуществляется по цифровой шине. После подключения очередного модуля происходит тестирование его состояния, и при исправности системы он автоматически определяется остальными подключенными к нагрузке модулями, что приводит к соответствующему перераспределению тока нагрузки. При возникновении сбоя в работе одного из модулей, он автоматически отключается от шины нагрузки, что позволяет изолировать поврежденный инвертор без отключения нагрузки от остальных модулей.
Одним из первых производителей, вышедших на рынок многомодульных однофазных систем переменного тока была компания American Power Сonversion Corp. (APC) c ИБП модели "Symmetra". В настоящее время на российском рынке представлен ряд мировых производителей многомодульных однофазных ИБП. Иллюстрацией этого может быть содержание таблицы.
Таблица
Диапазоны входных напряжений и мощности силовых
модулей ИБП различных производителей
Произво- дитель |
Модель ИБП |
Мощность силового модуля, кВА |
Максимальное кол-во силовых модулей, шт. |
Диапазон входного напряжения, В |
APC |
Symmetra |
4 |
4 |
155 - 276 |
Invensys |
Powerware 9170 |
3 |
6 |
176 - 276 |
Liebert |
Nfinity |
4 |
4 (6) |
170 - 276 144 - 276 |
Socomec-Sicon |
Modulys |
1,5; 3; 4,5 |
4 |
184 - 276 161 - 276 |
Meta System |
Ecoline |
1 |
8 |
184 - 264 110-264 |
Отличительным признаком многомодульной системы является избыточность, обеспечивающая повышенную надежность системы за счет:
– резервных силовых модулей,
– резервных батарейных модулей.
Модули могут оперативно заменяться в ходе работы системы. При неисправности любого модуля происходит автоматическое отключение его, что не нарушает целостности системы. При установке нового модуля происходит самодиагностика его состояния прежде, чем он начинает функционировать в составе системы.
При нормальном напряжении внешней сети и токе, близком к синусоидальному, силовые модули обеспечивают регенерацию синусоидального выходного напряжения за счет корректора коэффициента мощности силового модуля. Батарейные модули в этом режиме заряжаются зарядными устройствами, расположенными в каждом силовом модуле. При отсутствии напряжения входной сети или его недопустимом отклонении от заданных параметров нагрузка обеспечивается энергией от батарейных модулей через инверторы силовых модулей.
После разряда батарейных модулей, автоматического отключения нагрузки и при восстановлении сети происходит автоматический повторный запуск ИБП и подключение полезной нагрузки. При этом пользователь может самостоятельно устанавливать допустимый уровень разряда батарейных модулей и время выдержки перезапуска системы при появлении сетевого напряжения. При отключенной нагрузке и наличии сети система автоматически заряжает батарейные модули.
Литература
1. Чепурин И. Электропитание non-stop //Сети и системы связи: 2001. № 14. С. 94 – 98.
2. Левич А.П. Перспективные направления развития ИБП //Электросистемы: 2002. № 1 (5). С. 8 – 9.
3. Климов В.П. Тенденции развития UPS //Банковские системы и оборудование: 1994. № 3. С. 40 – 46.
4. www.tensy.ru
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3