Курсовая работа: Блок питания EVPX с синхронным выпрямителем и LC-фильтром

5.2 Компоновочный расчёт устройства

Численные значения установочных объемов элементов приведем в виде таблицы:

Таблица 5.2.1

Объем элементов печатной платы

Согласно таблице суммарный установочный объем всех элементов на плате составляет:

V_? = 5659.48

Коэффициент заполнения по объему (k_з) из исходных данных к проекту принимается равным 0,4.

Приблизительный объем, занимаемый блоком питания составляет 7850 мм³. Тогда суммарный объем всех блоком в устройстве:

V_? = 5659.48 + 7850 = 13509.48 мм³

Ориентировочно определяем реальный объем разрабатываемой конструкции по следующей формуле:

Vреал = V_?1/ k₃ = 13509.48/0.4 = 33773.7 мм³

Окончательные габариты корпуса: 55x35x47 (мм).

Выберем корпус для разрабатываемого зарядного устройства. Такие габариты имеет пластиковый корпус G717. Это корпус темно-серого цвета, производится из ударопрочного жаростойкого ABS пластика UL-94V0. Обеспечивается защита от проникновения пыли и влаги по стандарту IP54. На внутренней поверхности корпуса отлиты стойки для горизонтального и направляющие для вертикального размещения печатных плат.

5.3 Расчёт конструктивно-технологических параметров печатной платы. Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

Определим расстояние от края печатной платы до элементов проводящего рисунка. Элементы проводящего рисунка рекомендуется располагать от края платы на расстояние Q, минимальное значение которого должно быть не менее толщины печатной платы с учетом допуска на размеры сторон. В нашем случае Q=2±0,3 мм.

Печатная плата должна удовлетворять 4 классу точности.

По формуле определим расстояние от края паза, выреза или неметаллизированного отверстия до элементов проводящего рисунка.

где q - ширина ореола или скола, выбирается по ГОСТ 23752-79 для 4го класса точности. Для разрабатываемой платы - q=0,5 мм.;

k - наименьшее расстояние от ореола или скола до соседнего элемента проводящего рисунка. Определяется по ГОСТ 23752-79 для 4го класса точности. В нашем случае k=0,15;

- позиционный допуск расположения центров контактных площадок по ГОСТ Р 53429-2009, равен 0,1 мм;

- позиционный допуск расположения осей отверстий по ГОСТ Р 53429-2009, равен 0,05 мм;

- верхнее предельное отклонение ширины печатного проводника в соответствии с 4м классом точности, выбирается из ГОСТ Р 53429-2009, равен 0,05 мм.

Определим диаметры монтажных отверстий. Номинальный диаметр монтажных отверстий d устанавливают исходя из следующего соотношения:

Следовательно:

где - нижнее предельное отклонение диаметра отверстия по ГОСТ Р 53429-2009;

- максимальное значение диаметра вывода устанавливаемого электрорадиоэлемента;

r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента (выбираем 0,2).

Полученные значения d округляем в сторону увеличения и сводим к предпочтительному ряду отверстий по ГОСТ 10317-79.

Таблица 5.3.1

Диаметры отверстий

Определим диаметры фиксирующих отверстий. С учетом допуска диаметры фиксирующих отверстий для платы зарядного устройства будут равны 3±0,05 мм.

Определим размеры и расположение печатных проводников.

Номинальное значение ширины печатного проводника определяют по формуле:

,

где - минимально допустимая ширина печатного проводника, рассчитываемая в зависимости от допустимой для него токовой нагрузки или от допустимого падения напряжения на нем;

- нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника согласно ГОСТ Р 53429-2009. В нашем случае оно равно 0,05 мм.

Минимально допустимую ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления с учетом допустимой токовой нагрузки определяют по формуле:

где - максимальный постоянный ток, протекающий в цепи, определяемый по результатам анализа схемы электрической принципиальной, для зарядного устройства он равен 3,2А;

- допустимая токовая нагрузка (предельная величина составляет 250А/мм² для наружных проводников по ГОСТ 23.751-86);

h - толщина печатного проводника.

Тогда

Минимально допустимую ширину печатного проводника можно рассчитать исходя из значения допустимого падения напряжения на нем:

где - удельное сопротивление печатного проводника (для медной фольги );

- максимально допустимая длина проводника, возьмем с избытком равной 70 мм;

- допустимое рабочее напряжение;

- величина напряжения питания.

Тогда

,

что соответствует 4му классу точности.

Печатные проводники необходимо располагать по возможности равномерно на максимально достижимом расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка по следующим предпочтительным направлениям:

· параллельно линиям координатной сетки или под углом к ним;

· во взаимно перпендикулярных направлениях на соседних проводящих слоях (для уменьшения паразитной емкости);

· по оси, перпендикулярной касательной к контуру круглой или близкой к ней формы контактной площадки или одной из сторон многоугольной контактной площадки. [Муромцев, с.172]

Определим размеры и расположение контактных площадок.

Наименьшее номинальное значение диаметра контактной площадки определяют по формуле:

где - верхнее предельно отклонение диаметра отверстия по ГОСТ Р 53429-2009;

и - верхнее и нижнее предельные отклонения диаметра контактной площадки по ГОСТ Р 53429-2009;

b - гарантийный поясок, т.е. минимально допустимая ширина контактной площадки согласно ГОСТ Р 53429-2009;

- величина подтравливания диэлектрика в отверстии (для нашей платы равна 0).

Полученные значения диаметров контактных площадок округлим в большую сторону до десятых долей миллиметра.

Результаты расчетов сведем в таблицу:

Таблица 5.3.2

Наименьшее номинальное значение диаметра контактной площадки

При разработке печатной платы следует учитывать следующие рекомендации:

· питающие проводники и «земля» должны иметь минимальное сопротивление и длину;

· «сигнальные» проводники должны иметь минимальные участки, где они проходят параллельно;

· размещение проводников на разных сторонах печатной платы желательно перпендикулярно или под углом 45.

5.4 Оценка теплового режима и выбор способа охлаждения

Поскольку в нашем случае отсутствуют теплопроводящие шины, то эквивалентный коэффициент теплопроводности материала печатной платы л_экв равен коэффициенту теплопроводности материала л_п.

Вычислим коэффициент распространения теплового потока по поверхности печатной платы:

где коэффициенты теплообмена с первой и второй стороны ПП (для естественного теплообмена ) h - толщина ПП.

Рассчитаем эквивалентный радиус корпуса микросхемы:

где - площадь основания ЭРЭ.

Для того чтобы определить перегрев поверхности корпуса ЭРЭ, необходимо сравнить максимальную температуру рабочей поверхности с температурой корпуса ЭРЭ.

Перегрев поверхности элемента вычисляется по формуле:

где B и M - условные величины, учитывающие способ установки элементом (для двухстороннего монтажа B = 0, M = 1);

k - эмпирический коэффициент, выбираемый в зависимости от расстояния lмежду центром корпуса ЭРЭ и торцами ПП;

N - число корпусов ЭРИ, расположенных на расстоянии r_iне более, чем 10/m;

k_ai - коэффициент теплоотдачи от корпуса i-го ЭРЭ, определяемый по графику рисунка 2;

и - модифицированные функции Бесселя второго рода (функции Макдональда);

Q_эриi - мощность, рассеиваемая i-м ЭРЭ;

S_эриI - площадь поверхности i-го ЭРЭ;

- зазор между i-м ЭРЭ и ПП;

- коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазор между i-м ЭРЭ и ПП.

Искомая температура корпуса вычисляется из:

где - среднеобъёмная температура окружающего пространства. В нашем случае равная 40?C.

Анализ сборочного чертежа показал, что в центре ПП платы находится микросхема DD1, для которой тепловой режим является наихудшим из-за влияния расположенных рядом элементов, поэтому целесообразно выполнить тепловой расчет именно для этого элемента.

В нашем случае , где коэффициент теплопроводности фторопласта при 293К.

Тогда коэффициент распространения теплового потока по поверхности печатной платы:

Наибольше влияние будут оказывать элементы, установленные от микросхемы на расстоянии не более:

В этот радиус попадают все элементы ПП, однако среди них два элемента выделяют значительное количество тепла - это индикатор HG1 и МОП - реле U1.

Площадь основания микросхемы DD1:

S_о=34.5*10^-3*7.4*10^-3

Площадь основания стабилизатора U1:

S_о=10*10^-3*5*10^-3

Площадь основания транзистора HG1:

S_о=19.5*10^-3*10.2*10^-3

Тогда эквивалентный радиус:

Для микросхемы: 9.02*10^-3 м^-1

Для стабилизатора: 3.99*10^-3 м^-1

Для транзистора: 7.99*10^-3 м^-1

Для дальнейших расчетов необходимо определить коэффициенты теплоотдачи. Для этого надо найти площади поверхностей микросхемы, стабилизатора и транзистора.

S_DD1=34,5*7,4=255,3 мм² = 0,255*10^-3 м²

S_U1=10*5=66 мм² = 0,066*10^-3 м²

S_HG1=19.5*10.2=198.9 мм² = 0,198*10^-3 м²

Воспользуемся графиком на рисунке 5.4.1. Коэффициент теплоотдачи для микросхемы , для МОП - реле и для индикатора .

Рисунок 5.4.1 Зависимость коэффициента теплоотдачи от площади поверхности корпуса ЭРЭ

Для нахождения численных значений функции Макдональда воспользуемся графиком на рисунке….

Рисунок 5.4.2 Модифицированные функции Бесселя второго рода

Для микросхемы:

Для индикатора:

r₁ = 40 мм = 0,04 м - расстояние между индикатором и микросхемой.

Для МОП - реле:

r₁ = 51 мм = 0,051 м - расстояние между реле и микросхемой.

Воздушный зазор д_З между микросхемой и ПП отсутствует, его место занимает слой клея ВК-9, толщиной 0,1 мм = 0,0001 м. Следовательно необходимо учесть его теплопроводность л = 0,22 Вт/(м•К). По справочным данным, рассеиваемая мощность микросхемы =0,005 Вт.

Воздушный зазор д_Зi между транзистором и ПП составляет 0,1 мм = 0,0001 м. Максимальная рассеиваемая мощность транзистора без установки теплоотвода =1 Вт. Возьмем за основу это значение, поскольку реальное тепловыделение будет меньше.