Разработка объекта профессиональной деятельности (основная часть работы)

 

4.5.1 Конструкторский анализ схемы электрической принципиальной

 

Целью конструкторского анализа схемы электрической принципиальной является установление условий и возможности создания конструкции с параметрами, записанными в ТЗ.

Конструкторский анализ схемы целесообразно начинать с изучения принципа работы изделия, что необходимо для принятия общего конструкторского решения и выявления функциональных особенностей изделия, влияющих на частные конструкторские решения. В результате изучения принципа работы устанавливают диапазоны рабочих частот отдельных узлов, необходимость применения экранирования; выясняют, имеются ли теплонагруженные элементы и элементы, требующие особых способов монтажа и закрепления и др.

После изучения принципа работы изделия выполняют анализ элементной базы с целью установки соответствия радиоэлементов требованиям условий эксплуатации и заданным характеристикам конструируемого изделия. Для этого составляют таблицу допустимых значений эксплуатационных характеристик радиоэлементов, в которую заносят предельные значения рабочей температуры, относительной влажности, вибраций, ударов, линейных перегрузок и интенсивности отказов. Анализ таблицы позволяет ответить на поставленные вопросы и одновременно произвести оценку схемной надежности изделия. Если некоторые радиоэлементы не соответствуют условиям эксплуатации изделия, то разработчик может выдвинуть требование о применении в конструкции виброизоляции, термостатирования, герметизации и т.д. В отдельных случаях может быть поставлен вопрос о пересмотре элементной базы.

 

4.5.2 Разукрупнения электрических схем ЭС и выполнение электрических расчетов

 

Исходя из многоуровневого принципа построения конструкций ЭС, структурная группа разукрупняется (разбивается) на конструктивные уровни, каждому из которых соответствует конструктивно-технологическая единица (КТЕ). Количество уровней КТЕ определяется функциональной сложностью проектируемого изделия. Низший уровень КТЕ конструкций ЭС на корпусных ИС обычно представлен функциональным узлом (функциональной ячейкой), в конструкции ЭС на микросборках – бескорпусной микросборкой.

Независимо от назначения и функциональной сложности изделия разукрупнение имеет ряд общих принципов, главными из которых являются: функциональная законченность КТЕ; максимальная повторяемость КТЕ в проектируемом или других изделиях; увеличение в пределах технологических и экономических ограничений функциональной сложности КТЕ низших уровней; минимизация числа внешних выводов КТЕ; конструктивная, технологическая, тепловая и электромагнитная совместимость КТЕ.

Смысловое содержание перечисленных принципов говорит об их тесной взаимосвязи и, в известной мере, о равнозначности. Приоритет того или иного принципа определяется исходными предпосылками задачи разукрупнения, а именно, требованиями ТЗ к конструкции.

Наиболее часто встречаются два варианта формулировки этих требований:

– в ТЗ оговариваются допустимые значения массогабаритных показателей конструкции;

– при заданных массогабаритных показателях конструкции указывается на необходимость использования базовых несущих конструкций (базовый принцип конструирования).

В первом случае при решении задачи разукрупнения предпочтение отдается принципу функциональной законченности КТЕ, во втором – принципу конструктивной совместимости КТЕ с базовыми несущими конструкциями. Таким образом, задача разукрупнения одновременно имеет и схемотехническое, и конструкторское содержание.

При решении задачи разукрупнения следует рассмотреть несколько возможных вариантов деления схемы на КТЕ. Каждый из вариантов анализируется с позиций соответствия перечисленным выше принципам и сопровождается расчетом критериальной оценки. Такими оценками могут служить соответствующие каждому варианту ожидаемые материальные показатели конструкции и формализованные показатели качества разукрупнения.

Известно, что для любой конструкции ЭС распределение массы можно представить следующим уровнем:

 

, (4.1)

 

где в правой части – составляющие массы элементов, несущих конструкций, соединений и теплоотвода. Не зависит от варианта разукрупнения масса элементов , другие составляющие могут существенно изменяться. В частности, масса несущих конструкций будет зависеть от размеров и формы корпуса, числа и размеров коммутационных (печатных) плат. Масса электрических соединений, в свою очередь, зависит от количества плат, количества соединителей, длины электрических соединений. Лучшему варианту разукрупнения ЭС должна соответствовать меньшая масса конструкции .

Объем конструкции определяется размерами и формой корпуса и, следовательно, количеством и размерами плат КТЕ.

Общую площадь коммутационных плат можно представить соотношением , где - рабочая площадь, на которой размещаются радиоэлементы и проводники; - вспомогательная площадь (краевые поля, элементы закрепления платы, рамки и т.д.). Легко убедиться, что при выбранном конструктивном оформлении с ростом числа КТЕ составляющая , а, следовательно, и будут возрастать, а отношение - ухудшается.

Таким образом, названные материальные параметры конструкций могут эффективно использоваться в виде критериальных количественных оценок качества разукрупнения электрических схем на КТЕ. Оценки являются противоречивыми, поэтому лучший вариант разукрупнения выбирают по заранее выбранному критерию или расчету комплексной оценки (4.5) по совокупности критериев. Формализованной оценкой качества разукрупнения электрических схем служит показатель разукрупнения

 

(4.2)

 

где - число вентилей (n-p переходов) в КТЕ, - число внешних электрических соединений. Лучшему варианту разукрупнения соответствует большее значение показателя.

При использовании (4.2) параметр можно заменить числом эквивалентных дискретных элементов , где - количество дискретных навесных элементов (компонентов) в КТЕ, - количество интегральных элементов на кристалле или подложке микросхемы.

Электрические расчеты в работах могут быть представлены обоснованием внутренних параметров конструкций ЭС по заданным внешним, расчетам на соответствие заданным величинам основных функциональных параметров конструкции, функциональной точности параметров конструкции или узлов, определяющих точность и стабильность параметров конструкции изделия, номинальных значений параметров навесных дискретных элементов, вторичных источников электропитания (ВИП).

Электрические расчеты, приводимые в дипломном проекте, должны занимать соответствующее место в логической цепочке решаемых работой задач.

Ввиду того, что обоснование внутренних параметров конструкции относится к этапу внутреннего проектирования, то его постановка и решение обязательны для большинства работ. Постановку других задач электрического расчета связывают с конкретными особенностями проектируемого изделия, которые отражены в требованиях ТЗ.

Задача расчета функциональной точности обычно ставится при проектировании конструкций ЭС, выполняющих обработку или преобразование информации и измерение электрических величин. В ТЗ на разработку таких изделий всегда оговаривается требуемая точность.

Расчет функциональной точности, как правило, выполняется вероятностным методом [18].

Необходимость расчета номинальных значений параметров навесных дискретных элементов диктуется применением в конструкции нетиповых (не предусмотренных руководящими техническими материалами) включений интегральных микросхем. Для расчета можно использовать модели и методики, приведенные в руководствах по применению ИС или литературные источники, посвященные проектированию ЭС на микросхемах [19,20].

Расчет ВИП проводят в случаях, когда обеспечение функциональных параметров проектируемого изделия выдвигает жесткие требования к стабильности и качеству питающих напряжений.

Раздел расчетно-пояснительной записки, посвященный электрическим расчетам, должен содержать: цель и постановку задачи, обоснование метода решения, расчет и анализ полученных результатов.

Известно [16], что между материальными показателями элементной базы и конструкции существует прямая связь. Материальные параметры конструкции зависят также от значений функциональных показателей. Поэтому, располагая данными об элементной базе и функциональных параметрах изделия, приведенных в ТЗ, можно проверить, выполнимы ли требования к массогабаритным характеристикам изделия при заданном схемотехническом построении.

Для решения данной задачи используются коэффициенты дезинтеграции массы , объема и площади , плотность упаковки элементов , эл/см , плотность конструкции , кг/дм , коэффициент связи функциональных и материальных параметров .

Через известную массу элементов m можно определить массу конструкции:

.

Зная плотность конструкции m , легко определить объем:

 

.

 

Масса и объем конструкции могут быть найдены с использованием других исходных данных, например, суммарного объема элементов V , числа элементов N . Тогда

.

 

Если известны коэффициенты связи функциональных и материальных параметров конструкции, то масса конструкции

 

 

где k - коэффициент связи функционального показателя F с массой конструкции.

Более подробно вопросы ориентировочных оценок массогабаритных показателей конструкции изложены в [18]. Значения коэффициентов дезинтеграции и плотности для некоторых конструкций ЭС приведены в [16].

Последней задачей конструкторского анализа схемы электрической принципиальной является разукрупнение схемы, т.е. выделение в схеме конструктивно и функционально законченных структурных технологических единиц (КТЕ). Принципы разукрупнения схем и порядок решения задачи рассмотрены в [16].

 

4.5.3 Обоснование структурной схемы конструкций ЭС

 

Схема электрическая структурная должна обеспечивать заданные значения функциональных параметров конструкции и минимальные значения материальных: массы, объема, стоимости и др.

В зависимости от функционального назначения изделия и состава исходных данных задачи обоснования структурной схемы могут решаться с использованием двух подходов.

Первый подход используется в том случае, если есть возможность построения математической модели, связывающей функциональные параметры проектируемого изделия. Исходными данными для решения задачи являются требования ТЗ и решения, принятые в результате анализа ТЗ. Задача решается в следующем порядке:

1) совокупность исходных данных D = {D , D ,…, D } разделяется на подгруппы: У = {У , У ,…, У }- данные, определение назначение изделия и воздействия внешней среды (условия); О = {O , O ,…, O }- ограничения на структуру изделия (тип сигнала, антенной системы, состав элементной базы и др.); К = {К , К ,…, К } – показатели качества изделия (функциональные и материальные параметры изделия); O - ограничения на показатели качества;

2) исходя из назначения изделия (данные подгруппы У), составляется математическая модель в виде соотношения, связывающего функциональные параметры изделия;

3) составляется структурная схема изделия;

4) для выбранной в процессе анализа ТЗ (или заданной) элементной базы определяют коэффициенты связи функциональных и материальных параметров и рассчитывают значение критерия предпочтения (одного из наиболее критичных материальных параметров):

 

; (4.3)

 

5) производится проверка на допустимость значений других материальных параметров (если, например, в качестве была выбрана масса конструкции, то проверке подлежат ее объем, стоимость, интенсивность отказов и др.). Пересчет функциональных параметров К , К ,…, К в названные материальные производится с помощью коэффициентов связи объема , стоимости и т.д. по соотношениям, аналогичным (4.3).

Если в процессе проектирования величина не удовлетворяет заданным требованиям или не выполняется одно из неравенств , Λ Λ , где , и Λ – объем, стоимость и интенсивности отказов соответственно), а также если имеется возможность минимизации , то изменяют структурную схему изделия или значения показателей качества в пределах ограничений и или же пересматривают элементную базу с целью уменьшения коэффициентов связи .

Коэффициенты связи функциональных и материальных параметров конструкций могут быть определены расчетным путем для существующих типовых конструкций аналогичного назначения. Для некоторых конструкций ЭС значения коэффициентов связи даны в [16], где вышеизложенный подход иллюстрируется примером обоснования структуры приемопередатчика РЛС.

Второй подход применяется в тех случаях, когда затруднительно или невозможно получить математическую модель функционирования ЭС. При решении задачи рассматриваются возможные варианты структурных схем, каждый из которых характеризуется упорядоченной совокупностью показателей качества К = {К , К ,…, К }. Значения показателей качества находят приближенно, используя данные об элементной базе, требования к функциональным параметрам и относительные показатели качества конструкций ЭС: коэффициенты дезинтеграции, плотность упаковки элементов, плотность конструкции, коэффициенты связи функциональных и материальных параметров и др. Соотношения для ориентировочной оценки массогабаритных показателей конструкции приведены в [1,16].

Лучший вариант структурной схемы выбирают по результатам расчета комплексного показателя качества

 

, (4.4)

где - весовые коэффициенты, характеризующие значимость того или иного показателя качества, зависящие от назначения конструкции и отражающие данные группы У; - нормированные значения показателей качества.

 

4.5.4 Выбор элементной базы

 

Выбор элементной базы тесно связан с обоснованием схем электрических принципиальных КТЕ. Это объясняется тем, что в современную микроэлектронную элементную базу ЭС заложена определенная схемотехника, в пределах возможностей которой принимаются решения по схемотехническому построению КТЕ.

При разработке принципиальных схем КТЕ интегральные микросхемы в большинстве случаев используются в типовых включениях согласно руководящим техническим материалам по применению. Поэтому обоснованию подлежат лишь оригинальные схемотехнические решения. Процедура обоснования состоит в рассмотрении возможных вариантов и выборе лучшего по результатам качественного анализа.

В состав элементной базы (ЭБ) конструкций современных ЭС входят интегральные микросхемы и полупроводниковые приборы в корпусном и бескорпусном исполнении, устройства функциональной электроники, миниатюрные радиоэлементы.

Элементная база, положенная в основу схемотехнического построения изделия, должна быть оптимальна с точки зрения требований к функциональным и материальным показателям конструкции. Выбор ЭБ производится по результатам сравнения нескольких типов интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, радиоэлементов и т.д. по комплексному показателю качества, годных к применению в конструкции. Пригодность к применению определяется соответствием функциональных, материальных и эксплуатационных характеристик элементов требованиям ТЗ к изделию.

Комплексный показатель качества для каждого объекта записывается в виде

(4.5)

 

где - весовые коэффициенты, определяющие значимость дифференциальных показателей качества; - нормирование значения дифференциальных показателей качества; - число дифференциальных показателей качества.

Для вычисления значения Q из выражения (4.5) необходимо:

– обосновать группу элементов, из которых производится выбор, и дифференциальные показатели качества

– привести влияние дифференциальных показателей на качество элемента к одной тенденции: повышения или понижения качества;

– произвести нормирование дифференциальных показателей;

– обосновать значения весовых коэффициентов.

Выбор дифференциальных показателей качества a _i, в число которых могут входить функциональные, материальные и эксплуатационные параметры элементов, производится в интересах обеспечения требований ТЗ к показателям качества конструкции.

Приведение влияния выбранных дифференциальных показателей на качество элемента к одной тенденции состоит в замене на обратные величины показателей, воздействие которых на качество элемента противоположно большинству дифференциальных показателей.

Нормирование дифференциальных показателей может быть выполнено по следующим соотношениям:

; (4.6)

 

; (4.7)

 

; (4.8)

где a _imax – максимальное из значений i – го дифференциального показателя для сравниваемых элементов, a _iТЗ – значение дифференциального показателя качества элемента, оговоренное в ТЗ.

Выражения (4.6) … (4.8) в целом равнозначны. Однако в инженерной практике нормирование дифференциальных показателей обычно выполняется по формулам (4.6) и (4.7).

Весовые коэффициенты j_i подчеркивают значимость того или иного дифференциального показателя качества элемента по отношению к показателям качества проектируемого изделия.

Выбор весовых коэффициентов производится из условия

,

где n – число дифференциальных показателей качества элемента; K – некоторое целое число, кратное десяти: обычно полагают K =1, 10, 100 и т.д.

Ввиду того, что интегральные микросхемы и другие радиоэлементы характеризуются рядом материальных показателей, часть которых (тип корпуса, выводов, способ установки и др.) не может быть оценена количественно, при формировании комплексного показателя качества вводится обобщенный материальный показатель элемента. В качестве такого показателя целесообразно использовать ожидаемое значение массы или объема конструкции в случае применения данного типа элемента. Расчет массы (объема) конструкции производится приближенно с помощью коэффициентов дезинтеграции:

 

где m_эл, V_эл – соответственно суммарные масса и объем элементов, размещенных на плате функционального узла (ячейки); q_{m 1}, q_{m 2} – коэффициенты дезинтеграции массы “элемент – функциональный узел (ячейка)”, “функциональный узел (ячейка) – блок”; q_{V 1}, q_V2 – то же для объемов; число функциональных узлов в конструкции изделия, оно определяется после решения задачи разукрупнения схемы.

Критерий комплексного показателя качества является универсальным. Тем не менее, часто при обосновании выбора элементной базы используются стоимостные показатели.

Так, например, при выборе цифровых ИС обращаются к критерию стоимости выполнения элементарной логической операции

где t_з – задержка переключения ИС; l_ис – интенсивность отказов ИС; N_ис – число микросхем в изделии; С_э – эксплуатационная стоимость ИС; m,n – соответственно коэффициенты объединения по входу и разветвления по выходу.

Эксплуатационная стоимость ИС при условии, что за время эксплуатации аппаратура не ремонтируется, может быть выражена соотношением

С_э=С_ис+С_Е+ С _тр,

где С_ис – оптовая или розничная стоимость микросхемы; С_Е – стоимость энергии, потребляемой микросхемой за время эксплуатации; С _тр – стоимость транспортировки ИС в составе изделия.

Для конструкций ЭС, эксплуатируемых на подвижных объектах (кроме искусственных спутников Земли):

С_Е= С_{Е 1} Р_исТ_э,

где С_{Е 1} – стоимость единицы электрической энергии; Р_ис – мощность, потребляемая микросхемой; Т_э – время эксплуатации ИС в составе изделия;

С_тр=С_{тр 1} m_исТ_э,

где С_{тр 1} – стоимость транспортировки единицы массы за единицу времени; m_ис – масса ИС.

Для ЭС космических объектов:

С_Е= С_{Р 1} Р_ис,

где С_{Р 1} – стоимость единицы мощности источников электропитания; Р_ис – мощность, потребляемая ИС;

 

С_тр=С_{з 1} m_ис,

где С_{з 1} – стоимость запуска единицы массы; m_ис – масса интегральной микросхемы.

Лучшей ИС соответствует минимальное значение С_о. Значения составляющих эксплуатационной стоимости ИС приведены в [16].

4.5.5 Выбор системы охлаждения

Массогабаритные характеристики конструкций ЭС в значительной мере зависят от способа охлаждения конструкции, обеспечивающего нормальный тепловой режим. Поэтому выбор системы охлаждения является одной из важнейших проектно-конструкторских задач, которая в соответствии с логикой проектирования представляет собой неотъемлемую часть процесса разработки конструкции.

При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные: тепловой поток Р,Вт, рассеиваемый поверхностью теплообмена (корпуса) конструкции; площадь поверхности теплообмена (корпуса) S_K, м²; допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента t_{эл min}, ^оС; максимальная температура окружающей среды t_{с max}, ^оС; минимальное давление окружающей среды Н_{с min}, мм рт.ст.

Значение теплового потока можно определить через потребляемую от источников питания мощность Р_П , которая обычно указывается в ТЗ, и коэффициент полезного действия изделия h:

Р=Р_П× (1 – h).

Площадь поверхности корпуса конструкции находят через взятые из ТЗ габаритные размеры конструкции. Допустимую рабочую температуру наименее теплостойкого элемента t_{эл min} устанавливают по результатам конструкторского анализа элементной базы. Остальные исходные данные

(t_{с max}, Н_{с min}) указываются в требованиях ТЗ.

Чтобы выбрать систему охлаждения, необходимо найти поверхностную плотность теплового потока:

 

где K_Н= 1/(Н_{с min} / Н) – поправочный коэффициент на давление окружающей среды; Н =760 мм рт.ст. – нормальное давление; допустимый перегрев в конструкции

 

Рис. 4.1 Диаграмма для определения перегрева

 

Значения P_os и D t_доп представляют собой координаты точки, положение которой на диаграмме (рис.4.1) определяет систему охлаждения конструкции. Не заштрихованные зоны диаграммы относятся к следующим способам охлаждения: 1 – естественное воздушное, 3 – принудительное воздушное, 5 – принудительное жидкостное, 9 – принудительное испарительное. Заштрихованным зонам соответствуют следующие способы охлаждения: 2 – естественное и принудительное воздушное, 4 – принудительное воздушное и жидкостное, 6 – принудительное жидкостное и естественное испарительное, 7 – принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное, 8 – естественное и принудительное испарительное. Если точка с координатами P_os и D t_доп попадает в заштрихованную зону, то выбор способа охлаждения производится по вероятностным зависимостям, которые для зоны 2 приведены в [9].

В тех случаях, когда габаритные размеры конструкции в ТЗ не указаны, площадь поверхности теплообмена S_K можно найти ориентировочно, используя коэффициенты дезинтеграции объема q_v:

 

,

где V_эл – суммарный установочный объем элементов.

 

4.5.6 Разработка технологии изготовления узла

Комплект КД служит основой для поэтапной подготовки и последующего производства разработанного устройства в цехе или на специализированном участке. Задачи, решаемые при технологической подготовке производства, заключаются в следующем:

– организация и управление технологической подготовкой производства;

– обеспечение технологичности конструкции изделий;

– разработка технологических процессов;

– проектирование и изготовление средств технологического оснащения.

 

4.5.6.1 Оценка технологичности конструкции

Понятие технологичности конструкции. Одной из важнейших характеристик, влияющих на точность, качество и себестоимость аппаратуры, является технологичность конструкции. Под технологичностью понимается такое качество конструкции изделий, которое позволяет применить прогрессивные методы технологии и организации производственных процессов, обеспечивающие высокую производительность труда и минимальную себестоимость при соблюдении заданных требований. Отработка технологичности конструкции направлена на повышение производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт в целях обеспечения необходимого качества изделий.

Для оценки технологичности используются качественные и количественные показатели.

Качественная оценка характеризует технологичность конструкции на начальной стадии проектирования при выборе материалов, элементов, компонентов, конструкции и технологии изготовления. Основными показателями качественной оценки технологичности конструкции являются:

1) отсутствие дефицитных и драгоценных материалов;

2) наименьшее количество деталей, компонентов ГИС, элетрорадиоэлементов (ЭРЭ) и узлов, большинство которых должны быть нормализованными или стандартными;

3) использование заготовок, требующих минимальной обработки для получения нужных деталей;

4) применение минимального количества марок и типоразмеров материалов, а также по возможности узкой номенклатуры покупных ЭРЭ и готовых изделий;

5) отсутствие излишне высоких классов точности и чистоты обработки поверхностей;

6) возможность применения средств механизации и автоматизации и использованием прогрессивных методов производства (групповые методы обработки, использование ленточных носителей при сборке микроэлектронных изделий и т.д.);

7) максимальное использование типовых или раннее освоенных технологических процессов;

8) обеспечение сборки изделий без подгонки, подбора или дополнительной обработки;

9) возможность независимой параллельной сборки, монтажа и контроля (проверки работоспособности) изделий, что позволяет расширить фронт работ и сократить общий цикл производства;

10) ограниченная потребность в рабочей силе;

11) сокращение затрат на специальную технологическую оснастку;

12) минимальные затраты времени и средств на техническое обслуживание и ремонт изделия при эксплуатации.

Количественный анализ конструкции изделий на технологичность проводится по следующим этапам:

1) на основе исходных данных разрабатываемого изделия рассчитываются относительные показатели (конструкторские показатели после выбора конструкции и производственные – после разработки маршрутных карт ТП) и выбираются соответствующие им нормативные показатели из таблицы 4.1;

2) частные значения переводятся в балльные показатели ;

3) оценивается уровень технологичности по балльным показателям;

4) на основе полученных результатов дается анализ технологичности и формулируются рекомендации по ее повышению.

 

 

Таблица 4.1