2 ОБЗОР ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ В КОНСТРУКЦИЯХ ЭВС. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ

Компоненты электронно-вычислительных систем функционируют строго в ограниченном температурном диапазоне. Уход температуры за указанные пределы может привести к необратимым структурным изменениям компонентов. Температурный фактор также влияет и на параметры электрических сигналов [3]. Увеличение плотности упаковки компонентов и скорости переключения элементной базы приводит к росту удельной мощности рассеяния, в связи с чем задача обеспечения нормального теплового режима при повышенной температуре является наиболее актуальной.

Тепловой режим конструкции ЭВС считается нормальным, если обеспечивается нормальный тепловой режим всех без исключения составных частей конструкции (ИМС, ЭРЭ, соединений, материалов и т.п.).

Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если выполняются два условия: температура элемента (или окружающей элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него; температура элемента должна быть такой, чтобы обеспечить его функционирование с заданной надежностью.

Первое условие обязательно для каждого элемента, второе определяется заданными в техническом задании на разработку показателями надежности. Обычно считают, что высокая надежность и длительный срок службы ЭВМ будут гарантированы, если температура среды внутри ЭВМ нормальная (20…25⁰С) и изменяется не более чем за час непрерывной работы.

Для облегчения тепловых режимов устройств ЭВМ используются различные системы охлаждения. Под системой охлаждения понимают совокупность устройств и конструктивных элементов, используемых для уменьшения локальных и общих перегревов. Системы охлаждения обычно классифицируют по способу передачи тепла, виду теплоносителя и источников тепла. В конструкциях ЭВМ находят применение естественное и принудительное воздушное охлаждение, а также жидкостные и испарительные системы охлаждения.

Обеспечение нормального теплового режима приводит к усложнению конструкции, увеличения габаритов и массы, затратам электрической энергии и дополнительным экономическим издержкам, в связи с чем важно правильно выбрать требуемый способ охлаждения.

Выбор способа обеспечения нормального теплового режима, а равно и системы охлаждения ЭВМ, как правило, производится на ранних стадиях разработки ЭВМ и основывается на определении плотности теплового потока и допустимого перегрева конструкции.

Расчет теплового режима устройств ЭВМ заключается главным образом в определении по конструктивным данным тепловой модели температур нагретых зон (объем, в котором рассеяние тепла) и поверхностей элементов. В ходе расчета определяют также температуру в других характерных зонах устройства (окружающего воздуха, корпуса и т.д.) и характеристики системы охлаждения. Методики расчета считаются удовлетворительными, если результаты расчета обладают заданной точностью, подтверждаются опытом проектирования и испытаниями опытного образца. Обычно, методика считается инженерной, если обеспечивается точность расчета не хуже 10 - 15%. В инженерных методиках наиболее часто используется коэффициентный метод, т. е. Связь между перегревом нагретой зоны и влияющими на тепловой режим устройства факторами осуществляется при помощи соответствующих коэффициентов. (Более детальное рассмотрение подходов в моделировании тепловых режимов устройств ЭВМ приведено в исследовательской части проекта).

Как было отмечено выше, существующие инженерные методики представляют собой достаточно сложный математический аппарат и, зачастую, не дают инженеру-разработчику данных с требуемой точностью. Кроме того, наличие множества факторов, влияющих на формирование реального теплового режима в устройствах ЭВМ не позволяет учесть все нюансы в аналитическом подходе к решению данной задачи. Таким образом, весьма важным является проведение экспериментальных исследований. Для проведения исследований теплового режима в критичных точках конструкции (на наиболее термочувствительных элементах) устанавливаются датчики температур, выходы которых коммутируются на различные электронные устройства.

Существует множество способов измерения температуры самыми различными датчиками, работа которых основана на различных принципах [4]. В качестве датчиков для измерения температуры приборы на pn - переходах (диоды, транзисторы), термопары, терморезисторы (термисторы), интегральные датчики температуры и др. Кратко рассмотрим те из них, которые могут быть применены в устройствах для изучения тепловых режимов ЭВМ.

Эффект зависимости pn - перехода от температуры, нежелательный в большинстве применений, широко используется в измерении температуры. Датчики на pn - переходах характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от температуры, но, как и всякие полупроводниковые устройства работоспособны только в ограниченном интервале температур.

На рис. 2.1 изображена вольт-амперная характеристика кремниевого диода для средних значений токов. Прямой ток диода пределяется выражением:

, (2.1)

где I - ток через диод, V - приложенное напряжение; Is - обратный ток насыщения (функция температуры); k - постоянная Больцмана; q - величина заряда электрона.

Рисунок 2.1 - Вольт - амперная характеристика кремниевого диода

Выполняя в уравнении (2.1) соответствующие подстановки и разрешая его относительно V, получим

, (2.2)

где М - некоторая независящая от температуры константа и Eg - ширина запрещенной зоны в кремнии при Т=0К. Согласно (2.2), напряжение на диоде линейно зависит от теипературы.

Транзистор также является хорошим датчиком температуры. При фиксированном токе коллектора напряжение база - эмиттер транзистора линейным образом зависит от температуры.

На рисунке 2.2 показана простая термочувствительная схема, используемая для получения выходного напряжения, пропорционального абсолютной температуре. Для идентичных кремниевых транзисторов VT1и VT2 пренебрегая их базовыми токами по сравнению с токами коллекторов, получаем

, (2.3)

,

,

Рисунок 2.2 - Термочувствительная схема с выходным напряжением, пропорциональным абсолютной температуре

Очевидно, что падение напряжения на резисторе R1 пропорционально абсолютной температуре и изменяется линейно, пока отношение I_c1/I_c2 остается постоянным. Этот способ контроля температуры реализован в ИС LX5700 фирмы National Semiconductor [5]. Рабочий интервал температур - от -50 до +125⁰С, чувствительность - 10 мB/⁰С. Постоянная времени для неподвижного воздуха равна 50 с. Выходное напряжение датчика равно 2,98 В при Т=298 К. Точность составляет +3,8 К, нелинейность не превышает +1 К.

Микросхемы LM135, LM235, LM335, выпускаемые фирмой National Semiconductor, также являются интегральными датчиками температуры, выходное напряжение которых зависит от температуры. Они работают, как двухвыводные стабилитроны, пробивное напряжение которых пропорционально абсолютной температуре с коэффициентом пропорциональности ±10 мВ/К. Рабочий ток этих датчиков может изменяться в широких пределах - от 400 мкА до 5 мА. Рабочий интервал для ИС LM135 - от - 55 до + 150⁰С. Микросхема ТМР01 (фирма Analog Devices) представляет собой двухвыводный интегралный датчик температуры с погрешностью измерения ±1% от полной шкалы (ПШ) и температурным коэффициентом 10 мВ/⁰С. Диапазон измеряемых температур - от - 45 до 115 ⁰С. Температурный коэффициент датчика AD22100 составляет 22,5 мВ/⁰С, однако, он имеет большую погрешность измерений - 3% от ПШ.

Терморезисторы представляют собой термочувствительные резисторы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов. Большинство терморезисторов характеризуется высоким удельным сопротивлением и высоким отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Величина отрицательного ТКС может составлять несколько процентов на градус Цельсия. Однако, наряду с повышенной чувствительностью терморезисторы обладают существенным недостатком: для них зависимости сопротивления от температуры в сильной степени нелинейны.

Принцип работы термопары основан на использовании эффекта Зеебека. Поскольку выходное напряжение термопары очень мало (микровольты), оно очень чувствительно к помехам. Поэтому при использовании термопары необходимо применять различные способы ослабления помех. Для улучшения «качества» сигнала термопары целесообразно применять активные аналоговые фильтры и технику защитного экранирования.

Кратко рассмотрим различные представленные на рынке специализированные модули, которые могут использоваться для обработки входных аналоговых сигналов, поступающих от термодатчиков.

Модуль аналого-цифрового ввода/вывода и преобразования информации фирмы Texas Instruments представляет собой встраиваемый в ПЭВМ модуль, построенный на основе процессора цифровой обработки сигнала TMS32020. Основные технические характеристики аналогового входа: количество разрядов - 12; общее количество каналов - 8 шт.(из них два - изолированные); время преобразования - 5,9 мкс.; амплитуда входных сигналов - +10 В; амплитуда выходных сигналов от модуля - +5 В; синхронизация - внутренняя, внешняя, от ПЭВМ; шина интерфейса с ПЭВМ - ISA.

Устройство для оперативного контроля тепловых режимов электронной вычислительной машины (Патентообладатель Понурко А. Р., 1996 г., номер заявки 94030822, осн. индекс МПК G06F11/00) предназначено для оперативного автоматического контроля тепловых режимов основных блоков и конструкций ЭВМ. При нарушении нормального теплового режима того или иного блока конструкции ЭВМ на подключенный информационный канал выдается соответствующая сигнальная информация и вырабатываются управляющие сигналы к исполнительным устройствам (в частности, дополнительным вентиляторам).

Цифровой термометр (Патентообладатель Серпуховское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Ленинского комсомола, 1996 г. номер заявки 5055405, осн. индекс МПК G01K7/00) предназначен для точного и быстропроизводимого измерения температуры конструкций приборов и машин. Цифровой термометр обладает повышенным быстродействием за счет полезного использования информации переходного периода в процессе регулярного нагрева термочувствительного резонатора от объекта, температура которого измеряется. Алгоритм оценивания температуры реализуется в специализированном вычислителе.

Плата сбора данных фирмы National Semiconductor CAI343 построена на основе 8-разрядного АЦП ADC 0816, содержащего на кристалле аналоговый мультиплексор на 16 каналов. Время преобразования - 110 мкс. Системой используется 3 порта ввода, 3 - вывода и 2 совмещенных порта.

Модуль ввода сигнала с термопары с расширенными диапазонами (I-7011P, НПО «ИКОС», Российская Федерация) представляет собой устройство в отдельном корпусе, подключаемое к ЭВМ по интерфейсу RS-485. Количество каналов аналогового ввода - 1. Разрядность используемого АЦП - 16 бит. Условия эксплуатации: от -20°С до +70°С. Тип подключаемых датчиков: термопары типа J (от -100°С до +760°С), K (от -100°С до +1370°С), T (от -100°С до +400°С), E (от 0 до 1000°С), R (от 500°С до 1750°С), S (от 500°С до 1750°С), B (от 500°С до 1800°С), N (от -270°С до +1300°С), C (от 0 до 2320°С), L (от -200°С до +800°С), M (от -200°С до +100°С).

Подводя итог вышеизложенному, необходимо отметить, что в настоящее время сложившийся отечественный рынок измерительных средств в секторе проектирования ЭВМ остается ненасыщенным для недорогой автоматизированной системы исследования тепловых режимов конструкций ЭВМ, чем еще раз подтверждается актуальность данного проекта.