Разработка устройства Видеопорт

По ГОСТ 10317-79 выбираем диаметр монтажного отверстия Dмо = 0.8 мм

3) Минимальное значение ширины проводника:

t = tмд + | ∆tно |,

где

tмд = 0.25 мм

(минимально допустимая ширина проводника)

∆tно = -0.1 мм

(нижнее предельное отклонение ширины проводника)

t = 0.25 + | -0.1 | = 0.35 мм

4) Минимальное значение расстояния между элементами проводящего рисунка:

S = Sмд + ∆tво,

где

Sмд = 0.25 мм

(минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка)

∆tво = 0.1 мм

(верхнее предельное значение отклонения ширины проводника)

S = 0.25 + 0.1 = 0.35 мм

5) Минимальный диаметр контактной площадки для металлизированного отверстия

D = Dмо + ∆Dво + 2*bн + ∆tво + бd + бр + ∆tно,

где

Dмо = 0.8 мм (расчет выше)

(диаметр монтажного отверстия)

∆Dво = 0 мм

(верхнее предельное значение отклонения диаметра отверстия)

bн = 0.1 мм

(гарантийный поясок)

∆tво = 0.1 мм

(верхнее предельное значение отклонения ширины проводника)

бр = 0.15 мм

(диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно номинального положения)

бd = 0.08 мм

(диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения)

∆tно = 0.1

(нижнее предельное отклонение ширины проводника)

D = 0.8 + 0 + 2*0.1 + 0.1 + 0.08 + 0.15 + 0.1 = 1.43

Выбираем диаметр контактной площадки согласно ОСТ 4.010.019-81:

D = 1.5 мм

6) Минимальное расстояние между центрами отверстий для прохождения одного проводника:

L = D + t + 2*Sмин + б₁ ,

где

D = 1.5 мм (расчет выше)

(минимальный диаметр контактной площадки)

t = 0.35 мм

(минимальная ширина проводника, расчет выше)

Sмин = 0.25 мм

(минимально допустимое расстояние между проводниками (III-й класс точности)

б₁ = 0.05 мм

(диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения)

L = 1.5 + 0.35 + 0.25*2 + 0.05 = 2.4 мм

Так как полученное расстояние L = 2.4 < 2.5 (расстояние между ножками микросхемы), то выбранный нами III-й класс точности печатного монтажа соответствует требованиям.

Конструктивно–технологический расчет печатных плат производился с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления, экспонирования и т.д. по ГОСТ 23751 – 79,

ГОСТ 10317 – 79, ОСТ 4ГО.010.030, ОСТ 4.010.019 – 81.

5.2 Расчет электрических параметров схемы.

1) Оценим необходимую ширину проводника сигнальной цепи:

bпр > ( l*ρ*I ) / ( hф*Uп ),

где

ρ = 0.05 Ом*мм² / м

(удельное сопротивление проводника)

l = 15 см (взято с избытком)

(максимальная длина проводника)

I = 130 мА

(максимальный ток в проводнике)

hф = 0.035 мм

(толщина проводника)

Uп = 0.4 В

(величина помехоустойчивости ИС)

bпр > ( 320*10^-3 *0.05*10^-6 *130*10^-3 ) / ( 35*10^-6 *0.4 ) = 149 мкм

Для III-его класса точности минимальная ширина проводника 0.25 мм, а следовательно удовлетворяет условию bпр = 0.25 > 0.149.

2) Рассчитаем сопротивление металлизированного переходного отверстия:

Rпо = ( ρ*hмо ) / ( 2π*r*hм ),

где

ρ = 0.05 Ом*мм² / м

(удельное сопротивление проводника)

hмо = 1.5 мм

(высота металлизированного отверстия)

r = 0.4 мм (расчет выше)

(внешний радиус отверстия)

hм = 0.035 мм

(толщина металлизации)

Rпо = ( 0.05*10^-6 *1.5*10^-3 ) / ( 2*3.14*0.4*10^-3 *35*10^-6 ) = 85.3*10^-3 Ом

Так как сопротивление очень мало, то его можно не учитывать.

3) Оценим необходимую ширину проводника для цепей земли и питания:

bпр > ( l*ρ*I ) / ( hф*0.01*Uп ),

где

ρ = 0.05 Ом*мм² / м

(удельное сопротивление проводника)

l = 10 см

(длина проводника)

I = 1.1 А

(наибольший ток в схеме)

hф = 0.035 мм

(толщина проводника)

Uп = 5 В

(напряжение питания устройства)

bпр > ( 30*10^-3 *0.05*10^-6 *1.1 ) / ( 35*10^-6 *0.01*5 ) = 0.94 мм

Из полученного значения видно, что выбранная ранее величина соответствует расчетной bпр = 1 > 0.94 мм.

4) Емкость и индуктивность между печатными проводниками:

Взаимная емкость:

С = ( 0.12*10^-12 *ε*l ) / ( lg[2*d / ( h + b )] ),

где

ε = 5.8

(диэлектрическая проницаемость диэлектрика, покрытого лаком [1])

l = 8 см

(максимальная длина проводника)

h = 0.035 мм

(толщина проводника)

d = 0.25 мм

(минимально допустимое расстояние между проводниками (III-й класс точности)

b = 0.25 мм

(ширина проводника)

C = ( 0.12*10^-12 *5.8*0.08 ) / ( lg[2*0.25 / ( 0.035 + 0.25 )] ) = 0.22 пФ

Взаимная индуктивность:

М = 2*l*( 2.3*lg[ 2*b / (d + b) ] + (d + b) / l +1)*10^{- 9} ,

где

l = 8 см

(максимальная длина проводника)

d = 0.25 мм

(минимально допустимое расстояние между проводниками (III-й класс точности)

b = 0.25 мм

(ширина проводника)

М = 2*0.08*( 2.3*lg[ 2*0.25 / (0.25 + 0.25) ] + (0.25 + 0.25)* 10^{- 3} / 0.08 +1)*10^{- 9} = = 0.16 мкГн

5.3 Проверочные расчеты и оценка помехоустойчивости.

Расчет сопротивления изоляции параллельных проводников

, где

R_П – поверхностное сопротивление изоляции.

, где

ρ_П = 10¹¹ Ом – удельное поверхностное сопротивление стеклотекстолита.

L_З = 0,25 мм –зазор между параллельными проводниками.

L_max = 90 мм – наибольшая длина параллельных проводников.

R_ОБ –объемное сопротивление изоляции.

для проводников на разных сторонах печатной платы

для проводников на одной стороне печатной платы.

Ρ_ОБ = 10¹³ Ом * м – удельное объемное сопротивление стеклотекстолита.

Н = 1,5 мм – толщина печатной платы.

T_П = 0,25 мм –ширина сигнального проводника.

S_ПР = l_max * t_П = 90 мм * 0,25 мм = 22,5 мм² –площадь проекции печатных проводников друг на друга.

Т.к. полученное сопротивление изоляции между двумя параллельными соседними проводниками превышает более чем в 1000 раз входное сопротивление ИС, то его влиянием можно пренебречь при выбранном зазоре между проводниками.

Время задержки распространения сигнала

, где

погонная задержка при передаче сигнала в вакууме.

L_Cmax = 0,13 м –максимальная длина сигнального проводника.

Μ = 1 – относительная магнитная проницаемость основания платы.

,где

ε_0СТ = 6 – диэлектрическая проницаемость основания платы.

Ε_Л = 4 – диэлектрическая проницаемость лака УР-231.

Тип линий связи на плате

, где

l_КР –критическая длина линии связи.

T_ЗД ^0,1 = 15 нс – время задержки сигнала при переключении из логического нуля в логическую единицу.

Т.к. полученное значение критической длины линии связи удовлетворяет условию 0,25l_КР ≥ l_Cmax , то все линии связи на плате можно считать короткими.

Допустимое значение паразитной емкости между печатными проводниками

С_ДОП = С_ПОГ * l_max , где

С_ПОГ – погонная емкость между двумя проводниками.

С_ПОГ = К_П *ε, где

К_П ≈ 10 пФ/м – коэффициент пропорциональности, выбирается по графику

ОСТ 4.ГО.10.009

С_ПОГ1 = К_П * ε_ЭФФ = 10пФ/м * 5 = 50 пФ/м – для проводников, расположенных на одной стороне печатной платы.

С_ДОП1 = С_ПОГ1 * l_max = 50 пФ/м * 0,15 м ≈ 7,5 пФ

С_ПОГ2 = К_П * ε_0СТ = 10пФ/м * 6 = 60 пФ/м – для проводников, расположенных на разных сторонах печатной платы.

С_ДОП2 = С_ПОГ2 * l_max ^’ = 60 пФ/м * 0,05 м = 3 пФ

Для К555,К537 серии значение допустимой паразитной емкости между двумя соседними проводниками при ложном срабатывании С_ДОП = 25 пФ, что значительно превышает оба рассчитанных значения.

Максимально допустимая длина параллельных проводников при учете только емкостной паразитной связи между ними

При разводке максимальная длина параллельных проводников на плате не превышает 90 мм, что меньше расчитанной максимально допустимой длины.

Удельное падение импульсного напряжения

, где

L_ПОГ = 1,8 мкГн / м – погонная индуктивность печатного проводника для

t = 0,25 мм.

∆I = 7,6 мА – перепад выходного тока при переключения логического элемента К555 серии.

минимальнаядлительность импульса сигнала.

F_П =16 МГц –максимальная частота переключения микросхем.

Максимальная длина одиночного проводника

, где

U_ПОМ = 0,4 В – максимальная допустимая амплитуда помехи.

Реальная длина одиночных проводников на печатной плате существенно меньше полученного значения.

Максимальная индуктивность сигнального проводника

L = L_ПОГ * l_Cmax = 1,8 мкГн/м * 0,13 м = 0,26 мкГн

Максимально допустимая длина параллельных проводников при учете только индуктивной паразитной связи между ними

Для допустимой длины параллельных проводников l_{ДОП. M} = 150 мм при учете только индуктивной паразитной связи должны выполняться следующие условия:

а) плата без экранирующей плоскости

б) плата с экранирующей плоскостью

t_ЗД.СР. = 0,03 мкс – среднее время задержки распространения сигнала для К555 серии.

U₀ = 0,4 В – напряжение логического нуля для К555 серии.

K_ЗАП = 1 – коэффициент запаса.

А)

б)

Оба условия выполняются с большим запасом.

Проверочные расчеты и расчеты помехоустойчивости проводились в соответствии с ОСТ 4.ГО.010.009.

6. Обоснование технических требований в чертежах.

Для пайки деталей используем припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76 – оловянно-свинцовый. Припой по своим характеристикам должен соответствовать ГОСТу. Паять необходимо по отраслевому стандарту для исключения выхода бракованных изделий.

Лаком УР-231 покрываем плату для защиты изделия от пыли и влаги.

Обоснование метода изготовления платы описанно в пункте 3.6.

Шаг координатной сетки 1.25 мм выбран в соответствии с 3-им классом точности печатного монтажа (пункт 3.2)

Для удобства линии координатной сетки нанесены через 1.

Установку элементов производить по ОСТ 4.ГО.010.030.

7. Оценка технологичности конструкции.

Определим некоторые показатели технологичности, характеризующие технологию изготовления изделия:

Основным показателем, используемым для оценки технологичности конструкции, является комплексный показатель технологичности К. Комплексный показатель определяется на основе семи базовых показателей технологичнсти [3, с. 169] по формуле

К_ИМС , К_АМ , К_МПЭ , К_МКН , К_ПОВЭ , К_ПРЭ , К_Ф – базовые показатели технологичности, расчитываемые далее.

Φ₁ … φ₇ – функции, нормирующие весовую значимость базовых показателей.

Коэффициент использования ИМС в блоке

, где

n_ИМС = 24– число ИМС в блоке.

N_ЭРЭ = 39 – число электрорадиоэлементов.

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа

, где

n_АМ –число монтажных соединений, которые могут осуществляться механизированным или автоматизированным способом.

N_М – общее число монтажных соединений.

К_АМ = 1

Коэффициент механизации подготовки элементов к монтажу

, где

n_МП = 63 – число элементов, подготовка которых к монтажу может осуществляться механизированным или автоматизированным способом.

N_Э = 63 – общее число элементов.

Коэффициент механизации операций контроля и настройки

, где

n_МКН – число операций контроля и настройки, осуществляемых автоматизированным или механизированным способом, включая и те, которые не требуют использования средств механизации.

N_КН – общее число операций контроля и настройки.

К_МКН = 1, т.к. модуль не требует операций контроля и настройки.

Коэффициент повторяемости элементов

, где

n_ТЭ = 12– общее число типоразмеров элементов в блоке.

Коэффициент применяемости элементов

, где

n_Т.ОР.Э = 0 – число типоразмеров оригинальных элементов в блоке, т.е. деталей, которые впервые разрабатываются самим предприятием.

Коэффициент прогрессивности формообразования деталей

, где

n_ПР – число деталей, заготовки которых или сами детали получены прогрессивными методами формообразования (штамповка, прессование, пайка, сварка).

N_Д – общее число деталей без нормализованного крепежа в изделии.

К_Ф = 1

Значимости весовых коэффициентов показателей К

φ₁ = 1,0; φ₂ = 1,0; φ₃ = 0,75; φ₄ = 0,5;

φ₅ = 0,31; φ₆ = 0,187; φ₇ = 0,11

Таблица нормативов комплексных показателей технологичности

электронно-вычислительной техники:

Для условий мелкосерийного производства изделие обладает высокой технологичностью.

Так же существуют следующие коэффициенты, не вошедшие в вышеприведенную формулу

1) Коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов в изделии:

Кпэ = ( 1 + Nт ) / Nэрэ,

где

Nт = 12 – число типоразмеров ЭРЭ в изделии,

Nэрэ = 39 – число ЭРЭ в изделии.

Кпэ = ( 1 + 12 ) / 39 = 0.33 т.е. хорошая повторяемость.

2) Коэффициент применяемости печатного монтажа:

Кп = Nкпг / Nкп,

где

Nкпг – число контактных площадок, паянных групповым методом,

Nкп – общее число контактных площадок.

Т.к. Nкпг= Nкп, то Кп = 1 (серийное производство)

3) Коэффициент повторяемости ИС:

Кповт.ис = 1 – Nт.ис / Nис,

где

Nт.ис = 5 – число типоразмеров ИС в изделии,

Nис = 24 – число ИС в изделии.

Кповт.ис = 1 – 5 / 24 = 0.79 (высокая повторяемость)

4) Коэффициент установочных размеров:

Кур = 1 – Nур / Nэрэ,

где

Nэрэ = 13 – число ЭРЭ в изделии,

Nур = 4 – число различных установочных размеров.

Кур = 1 – 4 / 13 = 0.61 (малая разница установочных размеров)

Исходя из найденных выше коэффициентов, видно, что конструкция технологична.

8. Тепловой расчет

Тепловые режимы радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени определяют ее надежность. Микро миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры привела к значительному увеличению удельных тепловых нагрузок. С позиции теплофизики радиоэлектронный аппарат представляет собой систему тел, которые сложным образом распределены в пространстве и являются источниками и стоками энергии.

Прежде чем приступить к выбору системы охлаждения проанализируем условия эксплуатации проектируемого изделия. Электронный контроллер должен работать в помещениях с нормальными климатическими условиями. Роль корпуса осуществляет пласмассовая конструкция с зазорами. Перенос тепла осуществляется в основном за счет конвекции. Общую мощность, выделяемую контроллером можно подсчитать, просуммировав выделяемые мощности каждого компонента.

Таблица потребления микросхем:

Общая мощность, выделяемая устройством.

Общее количество микросхем .

Исходные данные для расчета

1. Геометрические параметры корпуса .

2. Геометрические параметры платы .

3. Мощность, выделяемая источниками тепла .

4. Средняя мощность одного источника

5. Коэффициент теплопроводности стеклотекстолита основания печатной платы .

6. Давление окружающей среды .

7. Давление воздуха внутри блока .

8. Температура эксплуатации .

Исходными данными для расчета служат значения следующих параметров:

- базовая температура - То = 293 К,

- мощность выделяющаяся в микросхеме - Qэi , Вт -

Qэ₁ = 0.005 Qэ₂ = 0.005 Qэ₃ =0.005 Qэ₄ = 0.156 Qэ₅ = 0.156

Qэ₆ =0.156 Qэ₇ =0.156 Qэ₈ = 0.156 Qэ₉ = 0.019 Qэ₁₀ = 0.019

Qэ₁₁ = 0.05 Qэ₁₂ = 0.05 Qэ₁₃ =0.022 Qэ₁₄ =0.033 Qэ_{1 5} =0.033

Qэ_{1 6} =0.033 Qэ_{1 7} =0.044 Qэ_{1 8} =0.044 Qэ_{1 9} =0.044 Qэ₂₀ =0.12

Qэ₂₁ =0.125 Qэ₂₂ =0.125 Qэ₂₃ =0.125

- размеры корпуса блока без учета теплоотводящих ребер -

Lкх = 0.12 м, Lкy = 0.14 м, Lкz = 0,02 м,

^- общая площадь внешней поверхности блока - Sк = 0.044 м² ,

^- площадь основания микросхемы - Sэоi , 10^-6 м²

Sэ₁ =444 Sэ₂ =444 Sэ₃ =444 Sэ₄ =161,25 Sэ₅ =161,25

Sэ₆ =161,25 Sэ₇ =161,25 Sэ₈ =161,25 Sэ₉ =146,25 Sэ₁₀ =146,25

Sэ₁₁ =161,5 Sэ₁₂ =161,25 Sэ₁₃ =146,25 Sэ₁₄ =146,25 Sэ₁₅ =146,25

Sэ₁₆ =146,25 Sэ₁₇ =146,25 Sэ₁₈ =146,25 Sэ₁₉ =360 Sэ₂₀ = 187,5

Sэ₂₁ =187,5 Sэ₂₂ =187,5 Sэ₂₃ =187,5

- суммарная площадь поверхности микросхемы - Sэi, 10^-6 м²

Sэo₁ =1784 Sэo₂ =1784 Sэo₃ = 1784 Sэo₄ =612,5 Sэo₅ =612,5

Sэo₆ =612,5 Sэo₇ =612,5 Sэo₈ =612,5 Sэo₉ =562,5 Sэo₁₀ =562,5

Sэo₁₁ =612,5 Sэo₁₂ =612,5 Sэo₁₃ =562,5 Sэo₁₄ =562,5 Sэo₁₅ =562,5

Sэo₁₆ =562,5 Sэo₁₇ =562,5 Sэo₁₈ =562,5 Sэo₁₉ =1082 Sэo₂₀ =700

Sэo₂₁ =700 Sэo₂₂ =700 Sэo₂₃ =700

- размеры печатной платы - lx = 0.11 м, ly = 0.13 м,

- коэффициент перфорации корпуса блока - Кп = 1,

- толщина печатной платы - dп = 0.0015мм,

- зазор между основанием микросхемы и печатной платой - dз = 0.001 м,

- коэффициент теплопроводности диэлектрического основания платы - стеклотекстолита - l1 = 0.372 Вт/м*К,

- коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор между микросхемой и печатной платой - воздух - ls = 0.02442 Вт/м*К,

- объем печатной платы - Vп = 10*10^-6 м³ ,

- шаг установки микросхем на печатной плате- tx = 0.025м, ty = 0.017м,

- давление окружающей среды и давление внутри блока - Н1 = Н2 = 0.1 МПа,

- мощность выделяющаяся в блоке - Qб = 1,784 Вт.

Определяют удельную мощность корпуса блока - qк -

qк = Qб / Sк = 44.54 Вт/м² ,

Определяют перегрев корпуса блока - Q к -

Qк = Qко * Ккп * Кн1,

где Qко - перегрев корпуса герметичного блока при давлении окружающей среды 0.1 Мпа

Qко = 0.1472 * qк - 0.2962 * 10^-3 * qк² + 0.3127 * 10^-6 * qк³ ,

Ккп -коэффициент учитывающий перфорацию корпуса блока, при Ккп = 1,

Кн1 - коэффициент учитывающий давление окружающей cреды, при H1 = 1 МПа, Кн1 = 1.2,

Получим - Qк = 5.28 К.

Определяют удельную мощность нагретой зоны блока - qз -

Qб

q_з = = 0.066 Вт/ м²

2*(Lкх*Lку+(1/Lкх+1/Lку)*lк*lу*lz)

Определяют среднеобъемный перегрев нагретой зоны блока -


29-04-2015, 04:12