В современных условиях к радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), помимо соответствия основному набору технических характеристик, предъявляется ряд жёстких требований, направленных на повышение технологичности, надёжности, сокращения длительности и стоимости цикла проектирования. Все эти задачи невозможно решить без специальных систем автоматизированного проектирования, позволяющих сократить число дорогостоящих этапов проектирования, связанных с макетированием, испытаниями и последующей доработкой макета по результатам испытаний. Весьма важную роль здесь играют программные средства математического моделирования тепловых процессов, протекающих в РЭА.

Традиционно задачи оценки тепловых режимов работы РЭА решались на завершающих этапах проектирования посредством проведения стендовых испытаний, где макет РЭА подвергался воздействию всех оговоренных в техническом задании тепловых дестабилизирующих факторов по заранее определённой программе. Информация о тепловых процессах, протекающих в радиоэлектронной аппаратуре, собиралась с помощью системы специальных температурных датчиков или тепловизионных камер. Однако у такого подхода есть очень серьёзный недостаток: в тепловых испытаниях должен участвовать специальный макет или готовое изделие, а следовательно, им должны предшествовать этапы конструирования и изготовления макета, на которые приходится большая часть накладных расходов и значительные временные затраты.

Намного разумнее было бы одновременно со схемотехническим проектированием проводить математическое моделирование тепловых процессов и электромагнитной совместимости, что позволило бы на самых ранних этапах проектирования вносить изменения в схему и конструкцию разрабатываемый РЭА.

Несколько лет назад на рынке САПР появились программные средства для моделирования тепловых процессов. Большинство из них представляют собой специализированные системы, позволяющие моделировать тепловые процессы в типовых конструкциях самой разнообразной сложности - от подложек гибридных интегральных схем и кристаллов интегральных схем, печатных плат до блоков и стоек. Здесь можно отметить такое программное обеспечение, как BETAsoft компании DYNAMIC SOFT ANALYSIS и Sauna компании THERMAL SOLUTIONS.

В данной статье мы представляем программное обеспечение российских разработчиков, которое позволяет решить аналогичные задачи, но использует оригинальное вычислительное ядро и учитывает специфику отечественной радиоэлектронной аппаратуры, её методологии проектирования и элементной базы.

Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры АСОНИКА-Т (входит в состав Автоматизированной Системы Обеспечения Надёжности и Качества Аппаратуры) была разработана группой специалистов кафедры "Приборостроение" Красноярского государственного технического университета (КГТУ) и кафедры "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики (МГИЭМ). Программа предназначена для работы на персональных компьютерах под управлением ОС Windows 95/98/NT/2000 и позволяет выполнять моделирование стационарных и нестационарных тепловых процессов в конструкциях радиоэлектронной аппаратуры. В состав подсистемы входят уникальные программные комплексы, позволяющие синтезировать модели тепловых процессов в автоматическом режиме по созданной в специальной графической среде геометрической модели конструкции.

Подсистема позволяет решать следующие задачи: определение тепловых режимов работы всех радиокомпонентов и материалов несущих конструкций с учётом особенностей эксплуатации РЭА различного назначения (для аэрокосмической и автомобильной техники, морских судов и так далее) и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов тепловой нагрузки радиокомпонентов; выбор лучшего варианта конструкции аппаратуры с точки зрения её тепловых режимов из нескольких имеющихся; обоснование необходимости дополнительной защиты РЭА от тепловых воздействий; создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия (выбор испытательных воздействий, наиболее удачное расположение мест установки датчиков и т.п.).

В состав подсистемы входит графический редактор, позволяющий формировать геометрическую модель исследуемого объекта и отражать на ней конструктивные особенности печатных плат (рис. 1, 2), гибридных интегральных схем и функциональных ячеек - печатных плат, выполняемых на основе металлического основания со сложной системой сквозных и несквозных вырезов, контуров из тепловых шин и теплостоков (рис. 3).

Рис. 1. Геометрическая модель печатной платы с системой сквозных вырезов и системой тепловых шин
Рис. 2. Печатная плата с контуром из тепловых шин и системой сквозных вырезов
Рис. 3. Геометрическая модель функциональной ячейки с системой несквозных вырезов, тепловых шин и теплостоком

Редактор имеет удобный пользовательский интерфейс и позволяет выполнять большое количество операций: размещать, перемещать, удалять и копировать радиокомпоненты по одному или целыми группами; задавать или менять их параметры; объединять группу радиокомпонентов в один элемент с автоматическим пересчётом его геометрических и теплофизических параметров; выполнять переориентацию радиокомпонентов на плоскости несущей конструкции; просматривать одновременно схемы размещения компонентов на обеих сторонах несущей конструкции; создавать и редактировать модель несущей конструкции (формировать и размещать: печатные проводники силовых цепей; тепловые шины и контуры из шин; системы сквозных и несквозных вырезов, зоны с различными типами условий охлаждения и т.п.).

При прорисовке геометрической модели исследуемого объекта используются специальные библиотеки тепловых моделей компонентов. В подсистеме присутствует специальный модуль, который позволяет рассчитывать геометрические и теплофизические параметры радиокомпонентов при различных вариантах установки их на несущую конструкцию (рис. 4) и сохранять в специальной базе данных. В процессе построения проекта разработчик может выделить любой компонент на геометрической модели конструкции, после чего просмотреть и/или изменить один или все множество первичных параметров радиокомпонента и выполнить повторный расчёт его геометрических и теплофизических параметров с последующим их сохранением в базе данных (рис. 5).

Рис. 4. Выбор из библиотеки необходимого варианта установки радиоэлемента и его структуры
Рис. 5. Работа с геометрическими и теплофизическими параметрами радиокомпонента

Подсистема теплового моделирования предназначена для работы в тесной интеграции с другими САПР РЭА. Так, для обмена данными с САПР топологического проектирования РЭА в программе имеется набор интерфейсов, позволяющих загружать бинарные и текстовые файлы проектов печатных плат, разработанных в таких популярных системах проектирования, как P-CAD 2001, Protel 99 SE, OrCAD 9.2, Allegro, Specctra, а также старых, но всё ещё распространённых в России, версиях P-CAD 4.5-8.7. В подсистеме также имеется возможность осуществлять операции импорта/экспорта термограмм в/из тепловизионного диагностического комплекса ТЭРМИД РЭС. В настоящее время разрабатывается набор трансляторов, который позволит загружать топологии интегральных схем, разработанных в другой отечественной системе OT_TO, предлагаемой компанией OT_TO Software Group.

Графический редактор и математическое программное обеспечение подсистемы позволяет учитывать условия эксплуатации, а также конструкторско-технологические ограничения, накладываемые на РЭА различного назначения. Так, в частности, тепловые шины, контуры из тепловых шин и системы вырезов, наряду с заданием локальных граничных условий, позволяют отразить особенности авиационной РЭА. Слоистая структура, система теплостоков, множество локальных граничных условий и описание источников тепловыделения в виде функциональных временных зависимостей позволяют отразить особенности РЭА космических и морских объектов. Системы печатных проводников силовых цепей, совместно с системой вырезов и локальных граничных условий, позволяют отразить особенности автомобильного радиоэлектронного оборудования.

Особенности охлаждения моделируемого объекта учитываются в подсистеме через задание глобальных (рис. 6) или локальных (рис. 7) граничных условий, которые описываются на уровне всех и/или отдельных поверхностей или локальных зон несущей конструкции. Широкий набор типов условий охлаждения, используемый в программе, позволяет моделировать: снятие тепла с несущей конструкции посредством контактного теплообмена; лучистый теплообмен; естественную (в неограниченных и ограниченных пространствах) и вынужденную (обдув и продув) конвекции; теплопередачу к поверхности с заданной температурой через известное тепловое сопротивление и т.п.

Рис. 6. Задание глобальных граничных условий для функциональной ячейки с системой теплостоков
Рис. 7. Пример выделения локальных зон с граничными условиями, позволяющими учитывать неизотермичность воздушного потока

В результате моделирования разработчиком может быть получена следующая информация (в графическом виде или в виде файла отчёта):

температуры корпусов и активных зон радиокомпонентов;

тепловые поля шин;

изотермы несущей конструкции (рис. 8);

термограммы разрабатываемой конструкции (рис. 9);

изображение только перегревшихся элементов;

распределение мощностей по радиокомпонентам;

коэффициенты тепловой нагрузки радиокомпонентов;

графики зависимости температур радиокомпонентов от времени.
Отметим, что некоторые из перечисленных характеристик недоступны в зарубежных системах теплового моделирования.

Рис. 8. Изотермы функциональной ячейки устройства вторичного электропитания, входящего в состав космической аппаратуры
Рис. 9. Термограмма печатного узла устройства приёма и обработки видеосигналов

Для реализации поискового проектирования в состав подсистемы входит программный комплекс, дающий возможность разработчику самостоятельно создавать модели тепловых процессов с использованием компонентов топологических моделей, аппарата параметризации и дефрагментации, позволяющих, в конечном итоге, создавать структуры модельных рядов в виде библиотек моделей тепловых процессов для многократного использования их в процессе теплового анализа РЭА (рис. 10). Данный программный комплекс позволяет в максимально гибкой форме создавать и анализировать модели сложных конструкций высших уровней иерархии (крейты, стойки, стеллажи) с учётом их конструкторско-технологических особенностей и алгоритмов функционирования.

Рис. 10. Анализ тепловых режимов конструкций верхнего уровня иерархии

Все модули программы имеют двуязычный (английский и русский) пользовательский интерфейс и интерактивную справочную систему.

Распространением программы на территории СНГ и стран Балтии занимается компания РОДНИК СОФТ (www.rodnik.ru), в офисе которой по телефону (095) 113-7001 можно узнать самую подробную информацию о данной программе.