6. Конструкторские расчеты

   1. Расчет размеров печатных проводников

Исходя из выбранного материала, проводники ПП выполняются из медной фольги толщиной 18мкм. Ширину проводника рассчитывают в зависимости от силы тока, проходящего через него по формуле:

Где t - ширина проводника, мм; I_раб-рабочий ток, проходящий через проводник, А; h_ф - толщина фольги, мм; δ-допустимая плотность тока проводника по [ГОСТ 23751-86], А/мм².

Допустимая плотность тока проводника выбирается 100 А/мм² исходя из применения гальванической меди[25].

После расчета всех проводников следует выбрать наибольшее значение и округлить его в большую сторону до нормальной величины в соответствии с требованиями ГОСТ 23751-86.

Ниже приведены результаты расчёта ширины проводников (таблица 5). Результаты расчёта округлены до десятых и подстроены под класс точности.

Рабочий ток для цепи питания взят из документации на ячейку не более 300 мА. Ток для логических цепей выбирался как наибольший из максимально возможный для ПЛИС 100мА.

Наименование цепи	Рабочий ток цепи, А	Допустимая плотность тока, А/мм2	Толщина фольги, мм	Ширина проводника, мм.	Округлённая ширина проводника, мм
«Сигнальные»	0,3	100	0,018	0,08571	0,25
Остальные логические цепи	0,1	100	0,018	0,02857	0,25

2. Расчет диаметров переходных отверстий

Минимальный диаметр переходного отверстия рассчитывается по формуле:

где I- сила тока цепи, А; h-толщина медной фольги, мм; А - допустимая токовая нагрузка, А/мм².

Расчётные данные являются минимальными, поэтому они уточнены до требуемых технологией комбинированного позитивного метода изготовления печатных плат значений (таблица 6) [27].

Название цепи	Ток в цепи, А	Фольга, мм	Допустимая токовая нагрузка, А/мм2	Диаметр отверстия, мм	Уточненный диаметр отверстия, мм
"Сигнальные"	0,3	0,035	100	0,03639	0,4
Остальные логические цепи	0,1	0,035	100	0,01213	0,4

Минимальное расстояние между проводниками и минимальный диаметр контактных площадок и сквозных отверстий следует взять, исходя из класса точности изготовления платы: 0,15 мм и 0,6 мм и 0,6 мм соответственно.

3. Расчет теплового режима блока.

Требуется рассчитать тепловой режим блока и выбрать для него режим охлаждения. Методика расчёта взята для кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением (рисунок 2)[10].

Рисунок 2 - Схема блока кассетной конструкции с принудительным воздушным охлаждением:1 – входное отверстие; 2 – выходное отверстие.

Исходные данные:

• блок устанавливается в шкаф с принудительной вентиляцией, со скоростью движения воздуха 3 м/с;

• предельная рассеиваемая мощность P_э = 600 Вт;

• число печатных плат в блоке N_п = 19;

• максимально возможное число ЭРЭ в блоке n = 3000;

• внутренние размеры кожуха по координатам Y и Z: L_z = 530 мм, L_y=220 мм;

• толщина печатной платы h_п = 2,6 мм;

• ширина печатной платы l_п = 240 мм;

• средние размеры ЭРЭ: l_y=8 мм, l_z= 5 мм, l_x=12 мм.

Алгоритм расчета:

Задаются объёмный расходом воздуха G:

где V– скорость потока воздуха, м/с; S- площадь сечения потока воздуха, м². Площадь сечения потока воздуха обусловлена размерами вентиляционных отверстий в блоке и их количеством. Таких отверстия в блоке 2, каждое из которых имеет размеры: 0,1064м х 0,167 м = Все значения округляются сторону ужесточения расчёта.

Рассчитывается площадь среднего поперечного сечения воздушного канала:

S_x = 220 * 530 – 2,6 * 240 * 19 – 8*5*2500 = 6,862 * 10^-5м²

Определяется число Рейнольдса:

где - кинематическая вязкость воздуха,.

Определяется коэффициент теплоотдачи i-й микросхемы:

где - теплопроводность воздуха, .

Рассчитывается перегрев воздуха, протекающего вблизи ЭРЭ, расположенного на расстоянии Х от начала платы (сечение проходит по середине платы):

где P_Эi - мощность тепловыделения i-го элемента, расположенного до сечения X; –плотность воздуха. Среднее число ЭРЭ на плату равно 132 шт.; сечение проходит по середине платы, количество ЭРЭ на половине платы примерно равно 66 шт. Средняя мощность на один ЭРЭ составляет Р_Э = 0,04 Вт

Определяется перегрев воздуха за счёт тепловыделения одного дискретного элемента:

где S_э - площадь поверхности элемента, омываемая воздушными потоками.

Следовательно перегрев воздуха за счет теплового выделения одного дискретного элемента равен:

Температура поверхности корпуса ЭРЭ составляет:

где - температура воздушного потока на входе блока, в данном расчёте принята за максимальную температуру окружающей среды.

Средний перегрев воздуха на выходе блока: