Разработка методики программного тестирования цифровых устройств с помощью программного пакета Design Center

ВВЕДЕНИЕ

Для выхода нашей станы из экономического кризиса необходимо повышение темпов и эффективности развития экономики на базе уско­рения научно-технического прогресса, техническое перевооружение и реконструкция производства , интенсивное использование созданного производственного потенциала, совершенствование системы управле­ния, хозяйственного механизма и достижение на этой основе даль­нейшего подъема благосостояния народа. Исходя из этого необходимо на основе проведения единой технической политики во всех отраслях народного хозяйства ускорить техническое перевооружение произ-

водства, широко внедрять прогрессивную технику и технологию,

обеспечивающие повышение производительности труда и качество про­дукции. Необходимо обеспечить создание и выпуск новых видов при­боров и радиоэлектронной аппаратуры, основанных на широком приме­нении микроэлектроники.

В настоящее время этап развития микроэлектроники и аппара­тостроения на ее основе можно назвать этапом интегральных схем (ИС).

Интегральные схемы, являясь основной элементной базой микро­электроники, позволяют реализовать подавляющее большинство функ­ций радиоаппаратуры.

Микрокомпоненты, применяемые совместно с ИС, должны быть совместимыми с ними по конструкции, технологии и уровню надежнос­ти. В некоторых случаях оправдано применение гибридных интеграль­ных схем (ГИС). Это объясняется следующими обстоятельствами:

Технология ГИС проста и требует меньших, чем полупроводнико­вая технология затрат на оборудование и помещения.

Технологию ГИС можно рассматривать как перспективную по сравнению с существующей технологией многослойного печатного монтажа.

Пассивную часть ГИС изготавливают на отдельной подложке, что позволяет достигать высокого качества пассивных элементов при не­обходимости создавать прецизионные ГИС.

Основной проблемой при создании микроэлектронной аппаратуры (МЭА) является выбор конструкции, а также:

- обеспечение теплового режима;

- обеспечение надежности;

- обеспечение компоновки и соединений;

- снижение стоимости МЭА.

При проектировании конкретного образца МЭА должны учитывать­ся:

- назначение и область применения МЭА;

- заданные электрические характеристики;

- условия эксплуатации, определяющие степень воздействия внешней среды;

- требования к конструкции (надежность, ремонтопригодность, масса, габариты, тепловые режимы);

- технико-экономические характеристики (стоимость, техноло­гичность изготовления).

Основным средством миниатюризации устройств является их ин­тегральное исполнение. В силовых устройствах интеграция - это в первую очередь объединение бескорпусных силовых полупроводниковых приборов в общем корпусе. Примером такого силового устройства яв­ляется разрабатываемый силовой микромодуль вторичного источника питания.

Наряду с ГИС применяются малогабаритные сборки, состоящие из силовых транзисторов и диодов.

В основу проектирования силового микромодуля заложены сов­ременные тенденции конструирования ВИП на базе микроэлектронной

технологии их изготовления.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Анализируя задание на дипломное проектирование, видно, что модуль используется как составная часть изделия. Наличие при экс­плуатации изделия влажности до 93% требует предусмотреть защиту

радиоэлементов и печатных плат путем герметизации модуля, а также

пропиткой и заливкой. Так в частности трансформатор преобразова­теля заливается . Герметизация модуля обеспечивается с помощью резиновой прокладки по периметру между крышкой и корпусом. Наибо­лее сложным вопросом является обеспечение нормального теплового режима при эксплуатации в диапазоне температур - 40-60^o С.

Основное влияние температуры будет сказываться на радиоэле­менты и особенно верхний предел температуры +60^o С. С этой целью выбор элементной базы произведен исключительно по техническим ус­ловиям и ГОСТам, что исключает ошибки в выборе элементной базы. Все выбранные радиоэлементы обеспечивают предельные температуры эксплуатации. Такой режим достигается благодаря особенности конс­трукции. Особенность заключается в том, что большинство теплонаг­руженных элементов имеют хороший тепловой контакт на корпус моду­ля. Так, например, трансформатор преобразователя находится в гнезде корпуса. Корпус выполнен из материала Д16, обладающим хо­рошей теплопроводностью, а для большего уменьшения теплового соп­ротивления, там где это необходимо, применяется теплопроводящая паста КНТ-8. Все это позволяет спроектировать модуль в заданных габаритах.

Механические нагрузки на модуль довольно значительные, т.к. он эксплуатируется в изделии устанавливаемом на подвижных объек-

тах Однако, вся конструкция модуля и его элементов отвечают тре­бованиям вибро- и ударной устойчивости, заданной в ТЗ.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что модуль обеспечит заданную надежность P(t)=0,9 при t=5000. Проведенный в дальнейшем расчет надежности должен показать правильность выб-

ранной элементной базы и самой конструкции модуля. При меньшем

расчетном значении надежности потребуется пересмотр элементной

базы вариантов и способов охлаждения и возможно всей конструкции

модуля.

Так, применение бескорпусных транзисторов 2Т3642Б-2,

2Т376Б1-2, 2Т397А-2 и др., а также пленочных резисторов R1-12, особое значение приобретает полная и тщательная герметизация всего корпуса.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Проблема создания экономичных, надежных, малогабаритных ис­точников электрической энергии для питания современных радоэлект­ронных устройств становится все более актуальной.

Этой проблемой заняты специалисты всех стран мира

Большое внимание уделяется и повышению КПД вторичных источни­ков питания, т.к. количество их возрастает вместе с теми устройс­твами, где они используются. Одновременно растут требования и к стабильности питающей напряжения РЭА.

Поэтому правильный выбор схемы блока питания играет большую роль в получении высокого КПД.

С этой целью была выбрана схема микромодуля питания с широ­ко-импульсной модуляцией.

Блок питания обеспечивает стабилизацию выходного напряжения с одновременной фильтрацией низкочастотных составляющих входного напряжения.

Входное напряжение может изменяться от 20 до 30 В, а выход­ное напряжение при всех дестабилизирующих факторах (изменение входного напряжения, температуры окружающей среды, тока нагрузки) изменяется в пределах 25+1,25 В.

В основу регулирования заложен стабилизированный преобразо­ватель с широтно-импульсной модуляцией. Микромодуль включает в себя входной фильтр, схему управления, промежуточный каскад, трансформаторный преобразователь, выпрямитель, выходной сглажива­ющий фильтр. Входной фильтр состоит из конденсаторов С₁₈...С_24, дросселя Др1 и обеспечивает подавление пульсаций рабочей частоты преобразователя, а также обеспечивает непрохождение ВЧ пульсаций бортсети в выходную цепь.

Микромодуль состоит из двух силовых токовых ключей на тран­зисторах Т₁₃,Т₁₄,Т₁₇...Т₂₆ и транзисторов Т₁₅,Т₁₆,Т₂₇...Т_36, трансформатора Тр2. Резисторы R₄₆,R₄₇,R₄₈,R₄₉ обеспечивают необ­ходимый режим токовых ключей.

Микромодуль осуществляет необходимую трансформацию напряжения и при необходимости может произвести гальваническую развязку вы­ходного напряжения.

Выпрямление переменного прямоугольного напряжения осущест­вляется диодами VD₁₂...VD₁₉, включенных по схеме со средней точ­кой вторичной обмотки трансформатора. Диоды VD₂₀,VD₂₁ и конденса­тор С₄₁ позволяют получить требуемую форму выходного выпрямлен-

ного напряжения в момент переключения диодов выпрямителя.

Сглаживающий выходной фильтр состоит из двух последовательно включенных Г-образных LC-фильтров. Первый фильтр состоит из нако­пительного дросселяДр₃ и конденсаторов С₄₂...С₅₁, второй - из дросселя Др₄ и конденсаторов С₅₂...С₅₇. Первый фильтр производит преобразование широтно-модулированных импульсов в постоянное нап­ряжение. Второй фильтр является фильтром подавления радиопомех и обеспечивает получение заданных пульсаций выходного напряжения.

Схема управления выполнена по гибридно-пленочной технологии и включает в себя задающий генератор (ЗГ) на инверторах У_1.1, У_1.2,У_1.3 и элементах R₉,R₁₀,C₆; генератор короткихимпульсов на У_2.1,У_1.4,У_2.2; генератор пилы на элементах VT₆, R₁₆, C₁₂;

ШИМ-модулятор на усилителе постоянного тока (УПТ) У₁₆; раздели­тель каналов на триггере У_3.1; два (по числу каналов) выходных каскадана У_2.3, VT₇, VT₈, R₁₇,R₁₈,R₁₉,R₂₄,R₂₂,C₈,C₉ - пер­вый канал; У_2.4,T₉,T₁₀,R₂₀,R₂₅,R₂₁, R₂₃,R₂₇,C₁₀,C₁₁ - второй канал; узел защиты от короткого замыкания в нагрузке (У_3.2, У_7.1,У_7.2,У_8.1,У_8.2,R₂₈,R₂₉,R₃₀,R₃₂,R₃₃,R₃₆,R₃₇, VD₈,VD₉,C₁₅,C₁₇) и вспомогательные цепи питания схемы управле­ния.

Первый линейный стабилизатор параметрического типа осущест­вляет питание логических элементов У₁,У₂,У₃.

Второй линейный стабилизатор параметрического типа обеспечи­вает питанием +12 В и +6 В УПТ (У₆).

Дополнительно в схему управления входит узел гашения, обес­печивающий сброс магнитной энергии промежуточного усилительного каскада и тем самым позволяющий получить требуемую форму выходных импульсов этого каскада.

Промежуточный усилительный каскад выходных сигналов по току схемы управления и согласование по уровню. Он включает в себя ак­тивные элементыVT₁₁,VT₁₂,трансформатор Тр1 с вторичной обмот­кой.

Схема работает следующим образом: при повышении выходного напряжения на вход УПТ через резистивный делитель R₅₀,R₃₄,R₃₅ и R₃₁ поступает повышенное напряжение. Пилообразное напряжение, на­ложенное на постоянное напряжение делителя, сравнивается с опор­ным. На выходе УПТ образуются импульсы, более узкие чем это было было до этого момента. В каждом канале суженные импульсы проходят на выход промежуточного каскада, а с него поступают на вход токо­вых ключей. Токовые ключи меньшее время будут находиться в откры­том состоянии. На накопительный фильтр поступают более узкие им­пульсы. Накопительный фильтр производит сглаживание по среднему значению, поэтому выходное напряжение начинает уменьшаться и стремится к своему нормальному значению.

Обоснование и выбор конструкции микроблока питания РЭА

Микроблок является принципиально новым видом конструктивного исполнения микроэлектронной аппаратуры повышенной надежности и высокого уровня интеграции, перспективным направлением в конс­труировании РЭА различного назначения, являющимся дальнейшим и более гибким развитием методов гибридной микроэлектроники.

Анализ радиоаппаратуры показал, что вторичные источники пи­тания в большинстве случаев создаются на дискретных корпусных элементах, в то время как остальная аппаратурная часть строится на интегральной элементной базе.

Результатом такого подхода явилось то, что объем и масса вторичных источников питания составляет до 40-50% аппаратурной части РЭА.

Во многих случаях эти проблемы вызваны несовершенством конс­трукции вторичных источников питания и устройств, отводящих от них тепло. Эти причины сдерживают внедрение интегральных методов проектирования силовых устройств и дальнейшее уменьшение их масс и габаритов. Общеизвестно, что объемные конструкции блоков пита­ния обладают значительным температурным сопротивлением от их ис­точника до его стока. Кроме того корпусные активные и пассивные элементы схемы также обладают большим тепловым сопротивлением, что в свою очередь требует дополнительного увеличения объема конструкции и охлаждающей поверхности.

Тепловой поток от источника тепла до его стока определяется из выражения:

t₁ - t₂

_{Q = ------- ,}

S R_т где Q - тепловой поток;

t₁ - допустимая рабочая температура элементов схемы по ТУ;

t₂ - температура окружающей среды;

S R_т- суммарное тепловое сопротивление от источника тепла до его стока.

R_т = R_iт + R_тс + R_тт

Тепловое сопротивление конструкции определяется из выражения: l

R_т = ---- , l S

где l - расстояние от источника тепла до его стока;

l - теплопроводность;

S - окружающая поверхность;

Из выражения видно, что конструкция силового модуля должна обладать:

кратчайшим расстоянием от источника тепла до его стока

(l должно быть минимальным);

максимальной площадью окружающей поверхности (S должно быть максимальным);

материал теплоотвода должен обладать максимальной теплопро­водностью (l должно быть максимальным).

Наиболее полно этим требованиям отвечает конструкция изде­лия, которая обладает:

- максимальной площадью поверхности при одновременном умень­шении ее объема;

- применением активных элементов с малым тепловым сопротив­лением, т.е. необходимо применить бескорпусные элементы;

- применением конструкции малокорпусных или бескорпусных пассивных элементов (трансформаторы, дроссели);

- применением алюминия, меди, окиси бериллия, керамики 22ХС и им подобных материалов.

Кроме того, такие конструкции обладают минимальной материа­лоемкостью, максимальной простотой монтажа, улучшенными электри­ческими параметрами.

КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МИКРОМОДУЛЯ

Конструкторско-технологическая проблема миниатюризации сило­вых устройств заключается в необходимости создавать и применять специальные бескорпусные полупроводниковые приборы и микросхемы,

специальные намоточные детали и особые методы конструирования,

обеспечивающие плотную упаковку элементов и низкое внутренне те­пловое сопротивление конструкции.

На дюралюминиевой подложке МСБ (l₃=4 мм, 190х130;

l= 170 Вт/м град) расположены дроссели диаметром 36 мм, мощностью 2,8 Вт; диоды диаметром 14 мм и мощностью 1,6 Вт каждый; транс­форматор диаметром 55 мм, мощностью 1,85 Вт; 10 транзисторов диа­метром 10 мм; мощностью по 0,83 Вт каждый, крепятся на медной пластине размером 55х67х2,7 мм.

Применение бескорпусных приборов позволяет уменьшить объем конструкции и довести его до величины полностью определяемой энергетическими соотношениями и условиями охлаждения.

В нашем случае мы рассматриваем тепловой расчет микроузла, который позволяет нам определить картину температурного поля ГИС с помощью расчета тепловых режимов и взаимовлияния элементов.

Примем условные обозначения:

W_i - удельная мощность рассеивания элемента, Вт/см²;

W_{i max} - максимальная удельная мощность рассеивания элемен­та, Вт/см²;

DQ - допустимая абсолютная погрешность перегрева, ^oС;

l - теплопроводность подложки, Вт/м - град;

l₃ - толщина подложки, нм;

R_k - контактное тепловое сопротивление, м² град/Вт;

Z_o - эквивалентный радиус тепла, мм;

r_o - эквивалентный радиус источника тепла, мм;

P_i - мощность источника тепла, Вт;

S_i - площадь поверхности источника, мм²;

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ИСТОЧНИКА ТЕПЛА

Экивалентный радиус подложки

Z_o= 90 мм;

Эквивалентный радиус источника тепла r_o=7 мм;

Критериальную величину рассчитываем по формуле:

|\\\\\\\\\

|\\\ / 17Z_o²

^{j=? B}_i ^{= / --------- ;}

? R_k7l7l_з

|\\\\\\\\\\\\\\\

/ 17(9710^-2)²

^{j = / ---------------- = 3,5; где R}_k ^{= 10-3,}

? 4710^-37170710^-3

B_i - критерий Био;

j - критериальная величина.

Для нахождения критерия f необходимо определить отношение r/Z_o.

Определяем функцию f(r/Z_o,j) по таблице;

Y(r/Z_o,j)=0,5064

При r=r_o определяем тепловой коэффициент F(r_o); отношение r/Z_o,j= 0,7/9,0=0,078

1

F(r_o)= ----- Y(r/Z_o,r/Z_o,j)

2l₃7l

F(r_o) = 0,37 град/Вт

Температура в точке r=r_o составляет

t(r_o)7t_c = P7F(r_o)

t(r_o) = 70,6 град

t_c принимается равной t^o устройства и равно 70^o.

Рассчитываем коэффициент F(r/Z_o) для следующих точек:

r/Z_o=0,2;0,3;0,6;1.

Из таблиц находим функцию Y для этих точек:

Y(0,2)=0,228 Y(0,6)=0,0376

Y(0,3)=0,136 Y(1)=0,0158

Тепловые коэффициенты равны:

F(0,2)=0,17 F(0,3)=0,10

F(0,6)=0,03 F(1,0)=0,012

Перегревы в этих точках составляют:

Q(0,2)=0,27 Q(0,6)=0,048

Q(0,3)=0,16 Q(1,0)=0,02

Вокруг каждого источника делаем окантовку - зону влияния элементов.