Учебное пособие 800347
.pdf
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F3 |
лок |
i |
|
ji , |
|
|
|
(2.10) |
|
|
|
|
|
j |
1 |
|
|
|
|
|
|
максимальный локальный перегрев max i |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
F |
max |
max |
, |
|
|
|
|
|
(2.11) |
|
|
4 |
лок |
i |
|
|
|
|
|
|
|
максимальный перепад температур: разность максимального и мини- |
|||||||||||
мального min i перегревов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
max |
max - |
|
min , |
|
|
|
(2.12) |
|
|
|
5 |
|
i |
|
|
i |
|
|
|
|
перепад температур между заданными i-й и j-й локальными областями |
|||||||||||
(точками) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
1/2 |
|
|
|
|
n |
|
n |
|
|
|||
|
|
qi2 - qk2 1/2 |
|
|
|
|
|
||||
F |
ij |
|
|
ji |
- |
|
jk |
|
. (2.13) |
||
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
j |
1 |
|
|
j 1 |
|
|
|
Для тех случаев, когда трудно выделить отдельные локальные области или их число очень велико (например, компоненты в БИС), и если известна аналитическая модель (x, y, z) , вместо F1 предлагается использовать сред-
неинтегральное значение перегрева поверхности подложки (платы) при z 0, определяемое следующим образом
|
|
Lx Ly |
|
||||
F7 |
си |
1 Lx Ly |
|
x, y,0 dxdy . |
(2.14) |
||
|
|
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
Также, имея выражение для |
(x, y, z) , |
||||
|
возможно оценить равномерность темпера- |
||||||
|
турного поля с помощью градиента перегре- |
||||||
|
ва по поверхности с ИТ ( z 0 ) |
|
|||||
grad x, y,0 |
x, y,0 |
i |
|
x, y,0 |
j, |
(2.15) |
|
|
|
||||||
|
|
x |
|
y |
|
модуль которого определяет степень неравномерности (максимальное изменение на единицу длины) перегрева
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
1/ 2 |
|
|
|
|
|
|
x, y,0 |
x, y,0 |
|
|
||
F8 |
|
grad x, y,0 |
|
|
|
|
, |
(2.16) |
||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
x |
|
y |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а направление наибольшей неравномерности определяется по направляющим косинусам:
cos x |
|
x, y,0 |
|
grad x, y,0 |
|
, |
|
|
(2.17) |
|||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
x |
|||||||||||
cos y |
x, y,0 |
|
grad |
|
x, y,0 |
|
. |
(2.18) |
||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
y |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для оценки температурного градиента в заданном направлении l, (например, если какие-то элементы должны находиться в изотермической об-
ласти), используются производная функции x, y,0 по данному направлению, заданному соответствующими направляющими косинусами ( cos 3x , cos 3y ):
x, y,0 |
|
x, y,0 |
cos 3x |
l |
|
x |
|
|
|
x, y,0 |
cos 3y . |
(2.19) |
|
y |
|||
|
|
На основании проведенного анализа рассматриваемой предметной области можно показать, что в процессе обеспечения и оптимизации тепловых характеристик необходимо учитывать как тепловые, так и функциональные требования к разрабатываемым МЭУ, поэтому применяемые оптимизационные модели характеризуются многокритериальностью, наличием множества параметров, условий и ограничений различной физической природы, описываемых разнообразными ММ. Следовательно, при проведении ТП возникает важная задача выбора конкретного вида целевой функции, наиболее соответствующей выполняемой процедуре и типу МЭУ. В литературе недостаточно рассмотрены вопросы о предпочтительности выбора тепловых критериев в зависимости от выполняемых устройством функций, его схемотехнических и конструктивных особенностях, требований к характеристикам и т.д.
Для формирования соответствующих рекомендаций и решения задачи выбора тепловых критериев оптимальности предлагается подход /93/, учитывающий особенности МЭУ различных типов: функциональное назначение, схемное построение, характеристики, конструктивная реализация и т.д.
/5,7,8,15,30,35,40,43,44,52,57,65,6770,72,73,78,79,85,96,97,127/.
Процесс топологического проектирования аналоговых МЭУ весьма сложен, что объясняется необходимостью получения максимальной точности характеристик, которая определяется такими параметрами, как уровень сдвига, дрейф, линейность и т.д. Основной источник погрешности в таких схемах это температурные градиенты, которые приводят к различию режимов компонентов. Такие градиенты являются следствием локальных перегревов. Таким образом, проектирование топологии аналоговых устройств (ИС, ГИС, МСБ), в особенности прецизионных, требует обязательной оценки направлений и величин температурных градиентов (разности температур) и принятия мер по их устранению или ослаблению.
Среди МЭУ широко распространены МСБ и ГИС, выполняющие роль усилителей высокой частоты (УВЧ), усилителей постоянной частоты (УПЧ), радиотехнических преобразователей, генераторов и др. Микросборки УВЧ строятся на основе бескорпусных транзисторов или бескорпусных линейных интегральных схем (ЛИС). Такие устройства используют схемы каскодного усиления или дифференцированных каскадов
(рис. 2.3).
Схемотехнические решения, лежащие в основе УВЧ, определяют требования,
предъявляемые к ТР подобных устройств. Их температурное поле должно быть равномерным, иначе превышение температуры в месте установки какого-либо из транзисторов (ЛИС) над температурой других активных элементов вызовет нескомпенсированное изменение выходных характеристик всего усилителя (из-за изменения температурного дрейфа нуля и температурного дрейфа входных токов). В связи с этим при оптимизации размещения ИТ УВЧ в качестве теплового критерия следует выбирать равномерность температурного поля. Такое же заключение следует сделать и для УПЧ, использующих несколько активных элементов (транзисторов или ЛИС) и построенных аналогичным образом. Дифференциальные каскады используются и в многофункциональных схемах, в связи с чем для них также следует выбирать критерий равномерности температурного поля. Наилучшие результаты дает размещение транзисторов VT1 и VT2 (рис. 2.3) на линии изотермы.
Rk1 |
Rk2 |
+E |
|
R1 |
UВЫХ |
|
|
||
VT1 |
VT2 |
|
|
|
|
R1 |
|
|
R2 |
|
|
C1 |
|
|
UВХ1 |
VT3 |
|
|
C2 |
|
|
|
|
|
|
RЭ |
UВХ2 |
UВХ |
R3 |
|
|
|
|
|
|
a) |
|
|
б) |
|
|
|
|
Рис.2.3. Фрагменты схемы усилителя:
а) дифференциальный каскад; б) каскодный каскад.
Детекторы, использующие, как правило, одну ЛИС и отличающиеся схемотехникой от УВЧ и УПЧ, не столь сильно нуждаются в равномерном распределении температуры. Для этого класса приборов можно рекомендовать использование критерия минимизации средней температуры, что равнозначно минимизации максимальных локальных значений температур в i-х точках.
Цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи содержат резистивные матрицы,
формирующие выходное сигналы, наборы токовых ключей, выходной усилитель и источник опорного напряжения (рис. 2.4).
Для поддержания необходимой точности преобразований все элементы различных разрядов должны находится в одном и том же режиме, что и определяет необходимость обеспечения равномерности температурного поля. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) строятся с использованием различных схем в зависимости от метода преобразования и способа реализации. Однако повторение одинаковой схемы в конструкции АЦП n раз (n – количество разрядов) наряду с требованием повышения точности преобразования приводит к аналогичному выводу. Для больших ГИС (БГИС) или МСБ, выполняющих функции микропроцессора, микроЭВМ или сложные функции преобразования сигналов (например, декодирующее устройство, сигнальный процессор и т.д.) и рассеивающих большую удельную мощность, необходимо использование критерия минимизации суммарной температуры. Для генераторов и модуляторов характерно большое разнообразие схем, однако определяющим правилом для выбора теплового критерия является наличие в них каскодных, дифференциальных каскадов или симметричных схем (рис. 2.5). При на-
личии подобных схемных решений следует использовать критерии равномерности температурного поля.
Аналогичным образом, анализируя схемотехнические решения, основные параметры и конструкцию различных типов МЭУ, приходим к выводу о предпочтительности использования тех или других тепловых критериев при оптимизации ТР. Результаты такого анализа сведены в табл. 2.1 /93/. Как видно из этой таблицы, наиболее часто используемыми являются критерии минимизации суммарного перегрева (минимизация максимальных локальных значений температур) и обеспечения равномерного распределения температурного поля.
Другие критерии являются второстепенными и могут быть применены по решению проектировщика в частных случаях при превышении температурой некоторых критических значений в определенных точках конструкции. Рассматривая зависимость использования тепловых критериев от вида разрабатываемого устройства (МСБ, микроблок, многокристальный модуль), отметим следующее. Для МСБ следует в основном ориентироваться на выполняемую устройством функцию и схемотехническое решение.
При проектировании микроблоков необходимо отдавать предпочтение критерию
минимизации суммарного перегрева, а уже при более детальной оптимизации ТР требуется анализировать схемотехнические особенности и функции, выполняемые каждой из микроплат (подложек), и использовать
2 |
R2 |
3 |
R5 |
4 |
R8 |
5 |
R11 |
|
|
|
|
||||
|
VT1 |
|
VT2 |
|
VT3 |
|
VT4 |
|
VD1 |
|
VD2 |
|
VD3 |
|
VD4 |
|
R3 |
|
R6 |
|
R9 |
R12 |
|
R1 |
|
R4 |
|
R7 |
|
R10 |
|
1 |
27 |
|
26 |
|
25 |
|
24 |
Рис.2.4. Фрагмент резистивной матрицы
Rk1 |
Rk2 |
+E |
R1 |
R2 |
|
VT1 |
VT2 |
|
|
|
|
R61 |
R62 |
0 |
|
|
Рис.2.5. Фрагмент симметричной схемы
критерии равномерности температурного поля, минимизации максимального значения температуры, обеспечения заданных значений температуры в определенных точках и минимизации максимальных локальных значений температур в частной оптимизационной модели. Особенности конструкции многокристального модуля, к которым можно отнести упорядоченное расположение кристаллов и примерное равенство мощностей, рассеиваемых кристал-
Т
|
|
|
|
|
аблица 2.1 |
|
Равно- |
Миними- |
Миними- |
Миними- |
Мини- |
|
мерность |
зация |
зация ло- |
зация от- |
мизация |
|
темпера- |
среднего |
кальных |
клонения |
макси- |
|
турного |
перегрева |
значений |
значений |
мального |
|
поля |
|
темпера- |
темпера- |
значения |
|
|
|
тур |
туры от |
темпера- |
|
|
|
|
заданных |
туры |
|
|
|
|
величин |
|