Основные проблемы конструирования ЭВМ (стр. 3 )

10.1. Теплообмен в конструкции ЭВМ.

Основные понятия

Температурный(тепловой) режим- пространственно-временное распределение температуры в КМ. Задачи его анализа сложны, поэтому будем рассматривать только стационарный режим.

Выделяемая активными элементами тепловая энергия может передаваться другим, имеющим более низкую температуру, пассивным элементам, деталям конструкции и отводиться в окружающую среду.

Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс передачи тепловой энергии – теплообменом.

Тепловой режим зависит от:

•  температуры окружающей среды;

•  мощности источников и стоков тепловой энергии;

•  мощности системы принудительного отвода теплоты;

•  условий теплообмена (к ним относятся: размеры, форма, взаимное расположение элементов конструкции и теплофизические параметры материалов конструктивных элементов).

Тепловой режим называется нормальным, если температура компонентов не превышает допустимую. Нормальный режим обеспечивается при проектировании разработкой системы отвода тепловой энергии как для конструкции в целом, так и для ее элементов.

Способы отвода теплоты

Теплота может передаваться:

•  кондукцией (теплопроводностью);

•  конвекцией;

•  излучением;

•  испарительным охлаждением.

Передача тепловой энергии от изотермической поверхности i с температурой Qi к изотермической поверхности j с температурой Qj, и наоборот, описывается уравнением:

или (1)

где Фi , Фj - теплота от тел i и j, [Вт],

Fi,j = Fj,i - тепловой (температурный) коэффициент, иногда трактуется как тепловое сопротивление.

Структура тепловых коэффициентов зависит от способа передачи энергии и условий теплообмена.

10.2. Графический метод оценки искажений сигналов от эффекта отражений в линиях связи схем ТТЛ.

Графический метод исследования искажений в несогласованных линиях связи схем ТТЛ

1 и 3 – выходные характеристики элемента-источника в состоянии «1» и «0»;

2 – входная характеристика элемента-приемника

11.1. Помехи по цепям управления. Рекомендации по конструированию цепей управления.

Помехи по цепям управления и питания

Помехи по цепям управления и питания возникают из-за паразитной связи через общее сопротивление цепей управления и шин питания и «земли».Эти помехи наводятся на их общих сопротивлениях и носят индуктивный характер.

Помеха по цепям управления

Возникает в элементах, во входном каскаде которых стоят многоэмиттерные транзисторы.

В моменты времени

t1: A2 – AM – “0” и B2 – BM – “0”

t2: A2 – AM – “1” и B2 – BM – “0”

Переходы A будут закрываться, входные токи будут переключаться во 2-ю входную цепь. Протекая по управляющей цепи от Э2…ЭM, они суммируются, на общей индуктивности формируется помеха, которая имеет положительную полярность.

Способы уменьшения помехи:

•  уменьшение индуктивности печатных проводников за счет уменьшения их длины;

•  секционирование линий связи (приводит к уменьшению помехи за счет сокращения длины протекания суммарных токов);

•  если управляющий и управляемый элементы находятся на разных субблоках, то:

а) при наличии свободных контактов следует их распараллелить;

б) если возможно, следует перекомпоновать схему так, чтобы они располагались на одном субблоке;

11.2. Теплообмен вынужденной конвекцией.

Конвекция.

Конвекция связана с движением жидкой или газообразной среды, соприкасающейся с твердым телом – элементом конструкции.

Конвекция заключается в совместном действии теплопроводности среды, запасания энергии в ней и перемешивания среды.

Конвекция может быть естественной и вынужденной. Естественная – обусловлена движением среды за счет разности плотностей холодной и нагретой областей. Вынужденная (принудительная) – за счет движения среды под действием вынуждающих сил.

Конвекция описывается законом Ньютона-Рихмана:

где Фic – тепловая энергия, передаваемая от i-го тела к среде (и наоборот);

aic – удельная тепловая проводимость;

Si – площадь i-го тела, находящаяся в контакте со средой.

Удельная тепловая проводимость зависит от теплофизических и кинематических параметров среды, а также от формы, размеров элементов конструкции и их ориентации относительно потоков среды.

При анализе теплообмена конвекцией используются следующие критериальные уравнения.

1. Критерий Нуссельта

2. Критерий Грасгофа

3. Критерий Прандтля

4. Критерий Рейнольдса

где L – определяющий размер (например, высота стенки при

продольном обтекании ее потоком среды);

g = 9.8 м/с2;

bс – коэффициент объемного расширения среды [1/K];

vc – коэффициент кинематической вязкости [м2/c];

ac – коэффициент температуропроводности [м2/c];

V – скорость движения среды.

Вынужденная конвекция в неограниченном пространстве.

1.Продольное обтекание

Движение среды вдоль плоской (а) или цилиндрической (б) стенок

а) ламинарное движение среды (Re < 4×104) для воздуха (Qi - Qв)< 100°C

б) турбулентное движение среды (Re > 4×104) для воздуха (Qi - Qв)< 100°C

2.Поперечное обтекание

При 10< Re <105:

Теплообмен конвекцией в каналах

Канал – область между двумя субблоками или субблоком и стенкой блока или рамы. Канал считают плоским и его размеры принимают следующими:

где Vдет – суммарный объем деталей,

установленных на платах;

Ly – размер платы в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа.

Коэффициент теплообмена конвекцией не постоянен по высоте и ширине канала. В расчетах пользуются средними значениями, считая a и V (скорость) постоянными.

Вынужденная конвекция в канале.
Среда воздух

1. Ламинарное движение (Pr = 0,7). Среднее значение критерия:

lн – длина участка стабилизации потока среды (после этого участка скорость и коэффициент теплообмена можно считать постоянным по длине канала).

2. Турбулентное движение:

где lн=40bэф.

При вычислении критериев Нуссельта и Рейнольдса для ламинарного потока L = bэф, а для турбулентного - L = 2bэф.

Для воздушного зазора между субблоками с микросхемами в прямоугольных корпусах:

где dэкв – эквивалентный диаметр воздушного зазора между субблоками (dэкв = 4F/П), где F – площадь поперечного сечения, П – периметр

Теплообмен при вынужденном движении жидкости в трубах
(Конструкции с жидкостным охлаждением)

1. При ламинарном движении (Re<2200):

где eL – поправочный коэффициент, зависящий от соотношения диаметра и длины трубы.

2. При турбулентном движении (Re>104):

где e’L – поправочный коэффициент, зависящий не только от соотношения диаметра и длины трубы, но и от значения критерия Рейнольдса.

Трубы и каналы в теплоотводящих (холодных) плитах могут быть круглого/некруглого сечения. При некруглом сечении используют понятие «эквивалентного диаметра»:

где F – площадь поперечного сечения трубы;

П – полный смачиваемый периметр.

Теплофизические и кинематические параметры зависят от температуры. Для расчетов параметры определяют при температуре:

где Qвх/Qвых - температура на входе/выходе соответствующего участка трубы.

Определяющая скорость расхода хладагента: где GV [м3/с] – объемный расход хладагента.

Если тепловая энергия, воспринимаемая хладагентом, расходуется только на изменение его теплосодержания, тогда количество этой энергии, отводимой через трубу, определяется по формуле:

где Р – удельная теплоемкость хладагента, [Дж/кг·К]

r – плотность хладагента, [кг/м3] .

12.1. Индуктивная составляющая перекрестной помехи. Способы ее уменьшения.

При линейном законе изменения фронта тока ЭДС, наведенная в пассивной цепи за счет взаимоиндуктивной связи,

Eп=LвIа/tфI,

где Iа и tфI – перепад тока в активной линии и длительность его фронта.

При согласном включении линий индуктивная помеха по знаку противоположна фронту наводящего сигнала, при встречном – знаки совпадают.

12.2. Методика получения тепловых моделей конструкций ЭВМ.

Тепловые модели конструкций ЭВМ

Основное требование: Модель должна быть адекватна изучаемому процессу или явлению и реализуема математически.

Конструкция ЭВМ является системой многих тел с неравномерно распределенными источниками и стоками тепловой энергии. Ее температурное поле может иметь достаточно сложный характер, зависящий от распределения источников и стоков тепловой энергии, геометрии элементов конструкции и их теплофизических свойств.

При разработке тепловых моделей используют два приёма:

•  упрощение элементов конструкций;

•  идеализация протекающих теплофизических процессов.

Два подхода к разработке тепловых моделей

1 – подход:

1. Упрощение элементов конструкций – заключается в замене сложной формы нагретой зоны более простой. Широко используется понятие эквивалентная нагретая зона, когда сложная по форме изотермическая поверхность КМ с неравномерно распределёнными источниками теплоты заменяется изотермической поверхностью в виде прямоугольного параллелепипеда с равномерно распределёнными источниками энергии. Эта замена обычно выполняется на основе принципа усреднения или местного влияния.

2. Идеализация процессов теплообмена. Заключается в том, что учитываются только те способы передачи теплоты, которые вносят существенный вклад в теплообмен.

Теплообмен описывается системой неоднородных нелинейных алгебраических уравнений.

2 – подход:

КМ или вся конструкция в целом представляется в виде однородного анизотропного тела с неравномерно распределенными источниками теплоты.

Теплообмен описывается дифференциальными уравнениями в частных производных 2-го порядка.

Методика получения тепловых моделей конструкций ЭВМ

•  По результатам анализа конструкции определяем требуемую степень её детализации.

•  Выявляем существенные способы отвода теплоты.

•  Составляем схему соединения тепловых сопротивлений (подход 1) или композицию однородных анизотропных тел, имеющих разные теплофизические параметры (подход 2).

•  Получаем математическую модель и исследуем её.

13.1. Определение теплового сопротивления типовых конструкций при теплообмене кондукцией.

Кондукция – передача теплоты посредством взаимодействия молекул тела или соприкасающихся тел. Если два участка тела или соприкасающиеся тела имеют разную температуру, возникает поток теплоты в сторону меньшей температуры.

Кондукция может происходить в жидкой или газообразной среде, а также между телом и средой, если нет движения среды или между телом и средой есть прослойка – пленка неподвижной среды.

Определение теплового сопротивления типовой конструкции

Благодаря конструктивной унификации элементов ЭВМ типовые конструкции характеризуются регулярностью в одном, двух или трех направлениях.

В таких конструкциях можно выделить некоторый элементарный объем (ячейку), повторяя который в соответствующих направлениях, получим исходную конструкцию.

Регулярные конструкции можно считать анизотропными телами, имеющими неодинаковые коэффициенты теплопроводности по основным геометрическим направлениям, которые равны соответствующим коэффициентам элементарной ячейки

(lx = lях, ly = lяy , lz = lяz ,).

Такой подход позволяет рассчитывать тепловое сопротивление данной и аналогичных конструкций.

При проверочных расчетах температуры элемента конструкции возникает также задача определения теплового сопротивления от этого элемента до стока теплоты.

Тепловое сопротивление конструкции как однородного анизотропного тела

Предположения:

а) сквозная циркуляция воздуха между субблоками – отсутствует;

б) излучением тепловой энергии в зазорах можно пренебречь.

Следовательно тепловая энергия передается кондукцией в элементах конструкции и в воздушных зазорах.

!!! Далее рассматривается:

- «Элементарная ячейка пакета субблоков» - вопрос 20-2

- «Тепловое сопротивление от ИС к корпусу блока» - вопрос 9-2 !!!

13.2. Анализ взаимодействующих цепей связи элементов ЭВМ.

Взаимодействующие линии связи с распределенными параметрами

При анализе взаимодействия цепей связи необходимо учитывать взаимные паразитные емкость Св0 и индуктивность Lв0.

Печатные проводники на поверхности однородного диэлектрика

Печатные проводники на плате без экранирующего слоя:

Печатные проводники на плате с металлизированным слоем:

Печатные проводники на разных слоях однородного диэлектрика

14.1. Типовые конструкции. Их основные элементы.

Конструктивные модули ЭВМ

Назначение – обеспечение протекания физических процессов функционирования и защита от дестабилизирующих факторов.

В КМ осуществляется электрическая коммутация и механическое крепление входящих в них КМ предыдущих уровней.

В типовой конструкции можно выделить следующие составные части:

•  несущие детали типовой конструкции, которые служат для размещения и защиты от внешних воздействий деталей, входящих в данную сборочную единицу;

•  элементы крепления, ориентации, стыковки и расстыковки типовой конструкции с КМ следующего уровня;

•  детали крепления и фиксации конструктивных элементов, входящих в данную типовую конструкцию;

•  элементы защиты от внутренних воздействий в том числе обеспечения нормального теплового режима;

•  элементы внешней и внутренней электрической коммутации;

•  лицевую панель;

•  элементы индикации и контроля.

В зависимости от уровня конкретной типовой конструкции, назначения и вида ЭВМ некоторые из составных частей могут отсутствовать.

!!! Основным элементам типовых конструкций посвящен раздел 3 «Конструктивные модули», поэтому по этому вопросу необходимо проштудировать все слайды данного раздела!!!

14.2. Помеха по шинам питания. Способы ее уменьшения.

В статическом состоянии по шинам питания протекают стационарные токи, вызывающие постоянное падение напряжения. При переключении элементов соответственно происходит изменение этих токов.

Если в цепи 1 одновременно переключаются N элементов Э4-ЭM, то на общих индуктивностях шин питания и «земли» возникает помеха из-за изменения токов:

Эта помеха может быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Положительная помеха попадает на вход элемента Э2 через вывод «земля» и выходную цепь элемента Э1, находящегося в логическом «0».

Отрицательная помеха – через вывод питания и выходную цепь элемента Э1, находящегося в логической «1».

Способы уменьшения помехи:

•  секционирование (как для ПП, так и для подложек МС);

•  распараллеливание контактов разъемов;

•  увеличение ширины шин питания и «земли»;

•  использование развязывающих конденсаторов:

где

Rк – модуль сопротивления конденсатора,

n – желаемая кратность уменьшения помехи.

•  в МПП использование сетчатых слоев;

•  в ДПП шины питания и земли целесообразно располагать друг над другом для увеличения емкости конструктивного фильтра.

15.1 Выбор вида печатной платы в зависимости от быстродействия схем

Применение однослойных печатных плат без металлизированной поверхности допустимо лишь для низ­коскоростных устройств (), где уменьшение амплитуды по­мехи возможно за счет сокращения длины участка взаимодействия.

Для монтажа элементов в быстродействующих устройствах () необходимо использовать многослойные печатные платы с введением металлизированных слоев, это приводит к увеличению отношений, , . Емкостную составляющую пере­крестной наводки можно уменьшить, выбирая материалы платы с минимальной эффективной диэлектрической проницаемостью.

15.2 Методика получения модели конструкции ЭВМ как механической системы. Анализ элементов конструкции

Расчетную модель конструкции получают выделением и идеализацией существенных и отбрасываем второстепенных факторов. При этом модель необходимо составлять для трех взаимно перпендикулярных направлений. Построение расчетной модели удобно связывать с разделением конструкции на сборочные узлы. Разбиение конструкции на элементарные вибрационные системы и установление соответствия КМ элементам этих систем: если внутри КМ существует нежесткая механическая часть, то жесткая часть этого КМ образует основание вибрационной системы, нежесткая механическая часть – упругую связь модели, а объектом является следующий КМ, входящий в рассматриваемый. Рассматривая последовательно конструкцию ЭВМ от стойки к модулю, получаем цепочку вибрационных систем, составляющих модель для данного геометрического направления.

Если собственная частота элемента конструкции существенно превышает частоту вибрационного воздействия, то этот элемент считается твердым телом, в противном случае он – нежесткая механическая связь. Различают связи с сосредоточенными (амортизаторы) и распределенными параметрами (шпильки, болты, винты [l>>d], а также платы как тонкие пластины [min(l1,l2)/h>>10]).

16.1 Определение допустимой длины взаимодействующих линий связи

Формула суммарной перекрестной помехи при встречном включении:

Для случая , когда экспоненциальным членом можно пренебречь, независимо от полярности помехи формула примет вид:

В данном случае амплитуда помехи прямо пропорциональна длине участка взаимодействия, а длительность помехи примерно равна длительности фронта. При учете только емкостной составляющей допустимую длину участка взаимодействия можно определить из условия

,

откуда:

.

Если , то, разложив экспоненту в ряд и ограничившись двумя членами разложения, получим:

.

Таким образом амплитуда помехи практически не зависит от длины участка взаимодействия, а длительность помехи прямо пропорциональна его длине.

16.2 Основные элементы типовых конструкций

В типовой конструкции можно выделить следующие составные части:

·  Несущие детали типовой конструкции, которые служат для размещения и защиты от внешних воздействий деталей, входящих в данную сборочную единицу;

·  Элементы крепления, ориентации, стыковки и расстыковки типовой конструкции с КМ следующего уровня;

·  Детали крепления и фиксации конструктивных элементов, входящих в данную типовую конструкцию;

·  Элементы защиты от внутренних воздействий в том числе обеспечения нормального теплового режима;

·  Элементы внешней и внутренней электрической коммутации;

·  Лицевую панель;

·  Элементы индикации и контроля.

17.1 Одноуровневые и многоуровневые принципы конструирования

Одноуровневый. Вся схема реализуется на одном кристалле. Возможность применения принципа определяется достигнутым уровнем интеграции, требуемой сложностью реализуемой схемы и экономическими факторами. Достоинства: минимум потерь быстродействия из-за задержек сигналов в линиях связи; минимум снижения надежности из-за небольшого числа разъемных или паяных соединений. Недостатки: низкая или нулевая ремонтопригодность. Работоспособность может быть обеспечена за счет схемной или информационной избыточности.

Многоуровневый. Конструкция ЭВМ состоит из конструктивных модулей разных уровней иерархии. Конструктивный модуль (КМ) – любой узел ЭВМ, имеющий законченное конструктивное оформление, самостоятельную технологию производства и стандартные средства электрического и механического соединения. Геометрические размеры, средства механического и электрического соединения должны обеспечивать входимость КМ низшего уровня в КМ высшего уровня. Конструктивная иерархия в общем случае не совпадает со схемной/ функциональной, определяемой по принципу функциональной законченности. Рассматриваемый принцип обеспечивает производство КМ одного или разных уровней иерархии по независимым технологическим циклам, т. е. специализацию производства, а также высокий уровень конструктивно-технологической унификации деталей, составляющих КМ. Таким образом, рассматриваемый принцип конструирования дает возможность использования прогрессивного, высокопроизводительного и прецизионного оборудования для изготовления, монтажа и контроля, а также прогрессивных технологических методов изготовления деталей и их сборки.

17.2 Анализ искажений сигналов в несогласованных линиях связи

Модель переходных процессов в элементарной цепи связи без учета потерь имеет следующий вид: ; , где x и t – координаты расстояния и времени. Граничные условия – выходные характеристики элемента-источника и выходная характеристика элемента-приемника. Эквивалентные уравнения в конечных разностях: ,

, где iн, Uн, ik, Uk – токи и напряжения соответственно в начале и конце линии, m=t/Tз.

18.1 Основные задачи конструкторского проектирования

1) Разработка конструкции как средства электрического и механического соединения входящих в узел компонентов. Она включает: выбор формы; геометрическую компоновку; разрабоку конструкции деталей и всего узла в целом.

2) Схемно-топологическое конструирование – предполагает топологическую реализацию части схемы в монтажном пространстве соответствующего конструктивного узла или модуля. Эта задача имеет высокую размерность. В соответствии с преследуемыми целями она декомпозируется на подзадачи: схемная компоновка – определение схемы, которую необходимо реализовать в данном модуле или его части; размещение – определение положения элементов схемы в монтажном пространстве или его части; трассировка – определение траекторий линий связи.

18.2 Определение допустимой длины несогласованной линии связи

Если затягивание переднего фронта можно не учитывать, то предельная длина несогласованного соединения определяется амплитудой колебаний в конце линии, например, должно выполняться условие DU+ £ Uпд. Согласно теории DU+ £ 0,15 Uлог, если 2Tз £ tф. Откуда, если Uпд £ 0,15 Uлог, то Tз = lдt’з. р £ tф/2. Тогда lд = tф/(2t’з. р).

Показатели надежности невосстанавливаемых ЭВМ.

Эти ЭВМ характеризуются следующими показателями :

1. Интенсивностью отказов.

2. Средней наработкой до первого отказа.

3. Вероятностью безотказной работы.

Интенсивность отказов l(t) [1/час] – условная плотность вероятности возникновения отказа к моменту времени (t) при условии, что до этого момента отказ не возникал:

Зависимость интенсивности отказов от времени

1 – внезапные отказы;

2 – постепенные отказы

19.2. Способы уменьшения перекрестной помехи.

Рассмотрим формулу суммарной ПП при встречном включении

с точки зрения выработки рекомендаций по использованию линий связи и печатных плат в зависимости от скорости переключения элементной базы.

1. tфU>2,5t. В этом случае экспоненциальным членом можно пренебречь. Независимо от полярности помехи:

Из формулы видно, что амплитуда помехи прямо пропорциональна длине участка взаимодействия, длительность помехи приблизительно равна длительности фронта. При учете только емкостной составляющей допустимую длину участка взаимодействия можно определить из условия Uпд ³ Uа·R·Св0·lв/tфU откуда

2. tфU < t. Разложив экспоненту в ряд и ограничившись двумя членами разложения, получим

Отсюда видно, что амплитуда помехи практически не зависит от длины участка взаимодействия, а длительность помехи прямо пропорциональна его длине.

 

Основные способы снижения ПП за счет изменения топологии, геометрии и конструкции межсоединений:

•  трассировка ЛС на соседних слоях под углом 90 или 45°;

•  увеличение расстояния между ЛС на одном слое;

•  использование согласного включения элементов взаимодейст-вующих цепей;

•  для уменьшения ёмкостной составляющей ПП использование диэлектриков с малым e;

•  для уменьшения индуктивной составляющей

ПП – увеличение расстояния между взаимо-

действующими цепями, таким образом, что-

уменьшалась площадь перекрытия контуров,

образуемых взаимодействующими линиями

и соединяемыми ими элементами;

•  разнесение контактов разъемов взаимодей-

ствующих цепей, элементы которых располо-

жены на разных субблоках;

•  использование разделяющего экранирующего проводника;

•  выполнение коаксиальным кабелем или экранированной витой парой участков взаимодействующих цепей на длине, превышающей допустимую;

•  использование МПП со специальными структурами сигнально-потенциальных звеньев.

Классификация нестационарных ЭВМ. Виды механических воздействий на них. Основные задачи конструирования.

Особенности конструирования ЭВМ, устанавливаемых на подвижных объектах.