Конструирование и технология производства ЭВА

	Загрузить архив:
	Файл: 630-0097.zip (318kb [zip], Скачиваний: 48) скачать

и ордена Трудового Красного Знамени

государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Курсовой проект

по курсу “Конструирование ЭВС”

студент: Вилинский Д.                                                      группа ИУ4-92

консультант: Шахнов В. А.

Москва                                                                                                                                          1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

Техническое задание......................................................................... Подбор элементной базы.................................................................. Расчет теплового режима блока....................................................... Расчет массы блока.......................................................................... Расчет собственной частоты ПП...................................................... Расчет схемы амортизации.............................................................. Расчет надежности по внезапным отказам...................................... Литература........................................................................................

3 4 5 13 13 14 16 18

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Назначение аппаратуры.

Данный блок относится к классу бортовой аппаратуры и предназначен для  установки в управляемый снаряд. Функционально блок предназначен для свертки сигнала принимаемого бортовой РЛС.

2. Технические требования:

   а) условия эксплуатации:

           - температура среды t_о=30 ^оC;

         - давление p = 1.33 × 10⁴ Па;

    б) механические нагрузки:

           - перегрузки в заданном диапазоне

f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30

         - удары u = 50 g;

     в) требования по надежности:

           - вероятность безотказной работы P(0.033)³ 0.8.

3. Конструкционные требования:

    а) элементная база - микросхемы серии К176 с КМДП логикой;

    б) мощность в блоке P £ 27 Вт;

    в) масса блока m £ 50 кг;

    г) тип корпуса - корпус по ГОСТ 17045-71;

    д) тип амортизатора АД -15;

    е) условия охлаждения - естественная конвекция.

ПОДБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

Поскольку проектируемый электронно-вычислительный блок является бортовой аппаратурой, то к нему предъявляются следующие требования:

· высокая надежность;

· высокая помехозащищенность;

· малая потребляемая мощность;

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют интегральные микросхемы на дополняющих МДП (МОП) структурах - КМДП структуры.

Цифровые интегральные схемы на КМДП-транзисторах - наиболее перспективные. Мощность потребления в статическом режиме ЦИС составляет десятки нановатт, быстродействие - более 10 МГц. Среди ЦИС на МДП-транзисторах ЦИС на КМДП-транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью: 40...45 % от напряжения источника питания. Отличительная особенность ЦИС на КМДП-транзисторах - также высокая эффективность использования источника питания: перепад выходного напряжения элемента почти равен напряжению источника питания. Такие ЦИС не чувствительны к изменениям напряжения питания. В элементах на КМДП-транзисторах полярности и уровни входных и выходных напряжений совпадают, что позволяет использовать непосредственные связи между элементами. Кроме того, в статическом режиме их потребляемая мощность практически равна нулю.

Таким образом была выбрана серия микросхем К176 (тип логики: дополняющие МОП-структуры). Конкретно были выбраны две микросхемы:

· К176ЛЕ5 - четыре элемента 2ИЛИ-НЕ;

· К176ЛА7 - четыре элемента 2И-НЕ.

Параметр	К176ЛЕ5	К176ЛА7
Входной ток в состоянии “0”, Iвх0, мкА, не менее	-0.1	-0.1
Входной ток в состоянии “1”, Iвх1, мкА, не более	0.1	0.1
Выходное напряжение “0”, Uвых0, В, не более	0.3	0.3
Выходное напряжение “1”, Uвых1, В, не менее	8.2	8.2
Ток потребления в состоянии “0”, Iпот0, мкА, не более	0.3	0.3
Ток потребления в состоянии “1”, Iпот1, мкА, не более	0.3	0.3
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р1,0, нс, не более	200	200
Время задержки распространения сигнала при включении tзд р0,1, нс, не более	200	200

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации

Напряжение источника питания, В	5 - 10 В
Нагрузочная способность на логическую микросхему, не более	50
Выходной ток Iвых0 и Iвых1, мА, не более	0.5
Помехоустойчивость, В	0.9

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА БЛОКА

Исходные данные:

Размерыблока:	L­1=250 мм L­2=180 мм L­3=90мм
Размеры нагретой зоны:	a1=234мм a2=170мм a3=80мм
Зазоры между нагретой зоной и корпусом	hн=hв=5 мм
Площадь перфорационных отверстий	Sп=0 мм2
Мощность одной ИС	Pис=0,001 Вт
Температура окружающей среды	tо=30 оC
Тип корпуса	Дюраль
Давление воздуха	p = 1.33 × 104 Па
Материал ПП	Стеклотекстолит
Толщина ПП	hпп = 2 мм
Размеры ИС	с1 = 19.5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 мм

Этап 1. Определение температуры корпуса

1. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса блока q_к:

P₀ - мощность рассеиваемая блоком в видетеплоты;

S_к - площадь внешней поверхности блока.

Для осуществления реального расчета примем P₀=20 Вт, тогда

2. По графику из [1] задаемся перегревом корпуса в первом приближении Dt_к= 10 ^оС.

3. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a_л.в, боковой a_л.б и нижней a_л.н поверхностей корпуса:

Так как e для всех поверхностей одинакова и равна e=0.39 то:

4. Для определяющей температуры t_m = t₀ + 0.5 Dt_k = 30 + 0.5 10 =35 ^oC рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

      g - ускорение свободного падения;

      g_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна g_m=16.48 × 10^-6 м²/с

     

5. Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры t_m, Pr = 0.7.

6. Находим режим движения газа, обтекающих каждую поверхность корпуса:

5 × 10⁶< Gr_н Pr = Gr_в Pr = 1.831 ×0.7 × 10⁷ = 1.282 × 10⁷ < 2 × 10⁷следовательно режим ламинарный

Gr_б Pr = 6.832 ×0.7 × 10⁶ = 4.782 × 10⁶ < 5 × 10⁶следовательно режим переходный к ламинарному.

7. Рассчитываем коэффициент теплообмена конвекцией для каждой поверхности блока a_k.i:

где l_m - теплопроводность газа, для воздуха l_m определяем из таблицы 4.10 [1] l_m = 0.0272 Вт/(м К);

      N_i - коэффициент учитывающий ориентацию поверхности корпуса: N_i = 0.7 для нижней поверхности, N_i = 1 для боковой поверхности, N_i = 1.3 для верхней поверхности.

8. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой s_к:

9. Рассчитываем перегревкорпуса блока РЭАво втором приближении Dt_к.о:

где К_к.п - коэффициент зависящий от коэффициента корпуса блока. Так как блок является герметичным, следовательно К_к.п = 1;

К_н1 - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды берется из графика рис. 4.12 [1], К_н1 = 1.

10. Определяем ошибку расчета

Таккак d=0.332 > [d]=0.1 проводим повторный расчет скорректировав Dt_к= 15 ^оС.

11. После повторного расчета получаем Dt_к,о= 15,8 ^оС, и следовательно ошибка расчета будет равна

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1

12. Рассчитываем температуру корпуса блока

Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны

1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность нагретой зоны блока q_з:

где P_з - мощность рассеиваемая в нагретой зоне, P_з = 20 Вт.

2. По графику из [1] находим в первом приближении перегрев нагретой зоны Dt_з= 18 ^оС.

3. Определяем коэффициент теплообмена излучением между нижними a_з.л.н, верхними a_з.л.в и боковыми a_з.л.б поверхностями нагретой зоны и корпуса.

Для начала определим приведенную степень черноты i-ой поверхности нагретой зоны e_пi:

гдеe_зi и S_зi - степень черноты и площадь поверхности нагретой зоны, e_зi= 0.92 (для всех поверхностей так как материал ПП одинаковай).

Так как приведенная степень черноты для разных поверхностей почти одинаковая, то мы можем принять ее равной e_п = 0.405 и тогда

4. Для определяющей температуры t_m = 0.5 (t_к + t₀ + Dt_k)= 0.5 (45 + 30 + 17 =46 ^oC и определяющего размере h_i рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса

где L_{опр i} - определяющий размер i-ой поверхности корпуса;

      g - ускорение свободного падения;

      g_m - кинетическая вязкость газа, для воздуха определяется из таблицы 4.10 [1] и равна g_m=17.48 × 10^-6 м²/с

     

Определяем число Прандталя Pr из таблицы 4.10 [1] для определяющей температуры t_m, Pr = 0.698.

Gr_н Pr = Gr_в Pr = 213.654 × 0.698 = 149.13

Gr_б Pr = 875.128 × 0.698 = 610.839

5. Рассчитаем коэффициент коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности:

· для нижней и верхней

· для боковой поверхности

где l_m - теплопроводность газа, для воздуха l_m определяем из таблицы 4.10 [1] l_m = 0.0281 Вт/(м К);

6. Определяем тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:

где s - удельная тепловая проводимость от модулей к корпусу блока, при отсутствии прижима s = 240 Вт/(м² К);

      S_l - площадь контакта рамки модуля с корпусом блока;

      К_s - коэффициент учитывающий кондуктивный теплообмен

В результате получаем:

7. Рассчитываем нагрев нагретой зоны Dt_з.о во втором приближении

где К_w - коэффициент, учитывающий внутреннее перемешивание воздуха, зависит от производительности вентилятора, К_w= 1;

К_н2 - коэффициент, учитывающий давление воздуха внутри блока, К_н2 = 1.3.

8. Определяем ошибку расчета

Такая ошибка нас вполне устраивает d=0.053 < [d]=0.1.

9. Рассчитываем температуру нагретой зоны

Этап 3. Расчет температуры поверхности элемента

1. Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположена микросхема. Для нашего случая, когда отсутствуют теплопроводные шины l_экв = l_п = 0.3 Вт/(м К) , где l_п - теплопроводность материала основания печатной платы.

2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхем:

где S_0ИС - площадь основания микросхемы, S_0ИС = 0.0195 × 0.006 = 0.000117 м²

3. Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока

где a₁и a₂- коэффициенты обмена с 1-й и 2-й стороной ПП; для естественного теплообменаa₁+ a₂ = 18 Вт/(м² К);

h_пп - толщина ПП.

4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемыдля ИМС номер 13 находящейся в середине ПП и поэтому работающей в наихудшем тепловом режиме:

где В и М - условные величины, введенные для упрощения формы записи, при одностороннем расположении корпусов микросхем на ПП В = 8.5 pR² Вт/К, М = 2;

к - эмпирический коэффициент: для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии менее 3R, к = 1.14; для корпусов микросхем, центр которых отстоит от концов ПП на расстоянии более 3R, к = 1;

к_a - коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графика (рис. 4.17) [1] и для нашего случая к_a = 12 Вт/(м² К);

N_i - число i-х корпусов микросхем, расположенный вокруг корпуса рассчитываемой микросхемына расстоянии не более r_i < 10/m = 0.06 м, для нашей ПП N_i = 24;

К₁ и К₀ - модифицированные функции Бесселя, результат расчета которых представлен ниже:

Dt_в - среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:

Q_ИСi - мощность, рассеиваемая i-й микросхемой, в нашем случае для всех одинаковая и равна 0.001 Вт;

S_ИСi- суммарная площадь поверхностей i-й микросхемs, в нашем случае для всех одинаковая и равна S_ИСi = 2 (с₁ × с₂ + с₁ × с₃ + с₂ × с₃) = 2 (19.5 ×6 + 19.5×4 + 6×4) = 438 мм² = 0.000438 м²;

d_зi - зазор между микросхемой и ПП, d_зi = 0;

l_зi - коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.

Подставляя численные значения в формулу получаем

5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы

Такая температура удовлетворяет условиям эксплуатации микросхемы DТ_р = -45....+70 ^оС, и не требует дополнительной системы охлаждения.

РАСЧЕТ МАССЫ БЛОКА

Исходные данные для расчета:

Масса блока ИС	mис = 24 г = 0.024 кг
Плотностьдюралюминия	rдр = 2800 кг/м3
Плотность стеклотекстолита	rСт = 1750 кг/м3
Толщина дюралюминия	hk = 1 мм = 0.001 м
Толщина печатной платы	hпп = 2 мм = 0.002 м
Количество печатных плат	nпп = 60
Количество ИС	nис = 25

РАСЧЕТ СОБСТЕННОЙ ЧАСТОТЫ ПП

Так как в нашей ПП используются однотипные микросхемы равномерно распределенные по поверхности ПП, то для определения собственной частоты колебаний ПП можно воспользоваться формулой для равномерно нагруженной пластины:

где a и b - длина и ширина пластины, a=186 мм, b=81 мм;

D - цилиндрическая жесткость;

E - модульупругости, E = 3.2× 10^-10Н/м;

h - толщина пластины, h = 2 мм;

n - коэффициент Пуассона, n = 0.279;

М - масса пластины с элементами, М = m_пп + m_ис× 25 = 0.095 + 0.024 × 25 = 0.695 кг;

K_a - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины;

k, a, b, g - коэффициенты приведенные в литературе [1].

Подставляя значения параметров в формулу рассчитываем значение собственной частоты:

РАСЧЕТ СХЕМЫ АМОРТИЗАЦИИ

Исходные данные

Вид носителя - управляемый снаряд
Масса блока m = 42.385 кг
f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30

1. Рассчитаем величину вибросмещения для каждого значения f.

так как нам известен порядок К_e» 10³, то при минимальной частоте f = 10 Гц

следовательно мы можем рассчитать величину вибросмещения для каждой частоты спектра. Результат расчета представим в таблице:

f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30
x, мм	13	2	1	0.5	0.25	0.076

2. Расчет номинальной статической нагрузки и выбор амортизатора.

Так как блок заполнен одинаковыми модулями то и масса его распределена равномерно. При таком распределении нагрузки целесообразно выбрать симметричное расположение амортизаторов. В таком случае очень легко рассчитывается статическая нагрузка на амортизатор:

Исходя из значений Р₁...Р₄ выбираем амортизатор АД -15 который имеет: номинальную статическую нагрузку Р_ном = 100....150 Н, коэффициент жесткости k_ам = 186.4 Н/см, показатель затухания e = 0.5.

3. Расчет статической осадки амортизатора и относительного перемещения блока.

Статическая осадка амортизаторов определяется по формуле:

Для определения относительного перемещения s(f) необходимо сначала определить собственную частоту колебаний системы

и коэффициент динамичности который определяется по следующей формуле

Результат расчета представим в виде таблице

Масса блока m = 42.385 кг
f, Гц	10	30	50	100	500	1000
g	5	8	12	20	25	30
f, Гц	10	30	50	100	500	1000
x(f), мм	13	2	1	0.5	0.25	0.076
m(f)	1.003	1.118	1.414	2.236	4.123	13.196
s(f)= x(f) m(f)	13.039	2.236	1.414	1.118	1.031	1.003

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА ПО ВНЕЗАПНЫМ ОТКАЗАМ

Так как носителем нашего блока является управляемый снаряд время жизни которого мало, и схема состоит только из последовательных элементов тот мы принимаем решение не резервировать систему.

Интенсивность отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия определяется по формуле:

где l_0i - номинальная интенсивность отказов;

k₁, k₂ - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;

k₃ - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха;

Значения номинальных интенсивностей отказа и поправочных коэффициентов для различных элементов использующихся в блоке были взяты из литературы [1] и приведены в таблице

Элемент	l0i,1/ч	k1	k2	k3	k4
Микросхема	0,013	1,46	1,13	1	1,4
Соединители	0,062 × 24	1,46	1,13	1	1,4
Провода	0,015	1,46	1,13	1	1,4
Плата печатной схемы	0,7	1,46	1,13	1	1,4
Пайка навесного монтажа	0,01	1,46	1,13	1	1,4

Вероятность безотказной работы в течении заданной наработки t_p для нерезервированных систем определяется из формулы:

Среднее время жизни управляемого снаряда не превышает 1...2 минут и следовательно значение P(0.033)= 0.844, что вполне удовлетворяет техническим условиям.

ЛИТЕРАТУРА

1. О. Д. Парфенов, Э. Н. Камышная, В. П. Усачев. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. “Радио и связь”,     1989 г.

2. Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М. “Высшая школа”, 1986 г

3. В. А. Шахнов. Курс лекций.