В статье проанализированы аспекты создания электронных библиотек отечественной электронной компонентной базы для использования в средствах автоматизированного проектирования с учетом специфики разработки и применения высоконадежных электронных компонентов.
Введение
Развитие отечественной космической отрасли, в частности требования, предъявляемые как к целевым характеристикам космических аппаратов (КА), так и к срокам их разработки, формируют потребность в применении автоматизированных сквозных сред проектирования (САПР) при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
С помощью большинства современных САПР можно проектировать обширный спектр электронных устройств (рис. 1) различной сложности и функционала — от элементарных изделий элементной компонентной базы (ЭКБ), аналоговых и аналого-цифровых микросхем, программируемых логических микросхем (ПЛИС) и систем-на-кристалле (СнК) до сложных аппаратных блоков комплексов и систем, и поддерживать все уровни проектирования, начиная с системно-архитектурного и заканчивая конструкторско-топологическим [1].
В настоящее время для проектирования РЭА в России применяется широкий спектр САПР, в частности Teamcenter, Altium Designer, P‑CAD, «Эремекс», Zuken E3.Series, Siemens NX. Каждая из автоматизированных сред проектирования имеет свои плюсы и минусы, но их совместное использование для решения частных задач позволяет разработчикам РЭА организовать сквозной цикл проектирования электронных узлов — от поиска необходимых изделий ЭКБ до разводки печатной платы и последующего моделирования разного рода воздействий. В общем представлении цикл проектирования в САПР можно разбить на три этапа (рис. 1).
Первоначально, при разработке РЭА необходима организация библиотек изделий ЭКБ под задачи проекта, каждый элемент которой должен включать скомпонованный набор моделей — условное графическое описание (УГО), посадочное место pattern (ПМ) и 3D-модель. Весьма привлекательной чертой САПР является наличие встроенных библиотек элементов практически всех крупных зарубежных производителей ЭКБ (Xilinx, Altera, Vishay, Analog Devices, Texas Instruments и т. д.), а также возможность удаленного подключения САПР к серверам этих компаний с реализацией автоматического обновления и расширения библиотек, что нельзя сказать об отечественной элементной базе.
До недавнего времени в Российской Федерации был иной подход, предусматривающий работу специалистов, так сказать, «с бумагой». Поэтому разработчикам РЭА приходилось использовать Ограни-чительные перечни ЭКБ отечественного производства (ЭКБ ОП) и учтенные экземпляры технических условий (ТУ). С точки зрения проектирования это, естественно, оправданно, однако затягивает сроки разработки, поскольку информация о новых изделиях ЭКБ попадает в Ограничительные перечни не сразу (их обновление происходит раз в год), а учтенные экземпляры ТУ необходимо закупать у фирм-производителей в бумажном виде, с последующим созданием библиотечного элемента для САПР под каждое выбранное изделие ЭКБ.
Все описанное выше позволяет сделать выводы, что эффективное решение задачи по обеспечению преимущественного выбора разработчиками РЭА ЭКБ ОП возможно только при создании комфортных инструментов выбора таких элементов в САПР.
Разработка отечественной базы данных изделий ЭКБ
Применение ЭКБ ОП в составе РЭА в первую очередь обусловлено требованиями технического задания (ТЗ) на аппаратуру, в частности касающимися внешних и специальных воздействующих факторов. Ответственность за выбор номенклатуры ЭКБ, а также за последующее соблюдение условий применения несет непосредственно разработчик аппаратуры. Соответственно, для разработчиков сформирован и утвержден ряд Ограничительных перечней ЭКБ ОП, упрощающих выбор электронных компонентов для применения в проектируемой РЭА и насчитывающих более 30 000 уникальных записей — типономиналов изделий ЭКБ. При этом каждая запись предоставляет крайне ограниченный набор информации — наименование изделия ЭКБ; номер ТУ; два-пять основных параметров; информацию об изготовителе и сроках поставки. Необходимо понимать, что при выборе изделия ЭКБ разработчикам недостаточно такого количества информации, а сами Ограничительные перечни выполняют роль каталогов по каждой позиции, из которых приходится закупать отдельное ТУ. В зависимости от сложности аппаратуры весь процесс сбора нужной документации на изделия ЭКБ может затянуться на срок до полугода.
Под каждое выбранное изделие ЭКБ ОП проектировщики аппаратуры создают отдельный библиотечный элемент, что с учетом сложности схемотехники ряда блоков и общего объема используемой номенклатуры также приводит к увеличению сроков разработки РЭА.
В результате первым шагом к формированию библиотеки ЭКБ ОП для САПР становится обеспечение комфортного выбора номенклатуры с точки зрения разработчика РЭА, то есть требуется определить и регламентировать два параллельных процесса:
- создание библиотечных элементов за счет цифровизации существующих Ограни-чительных перечней, за исключением неперспективных изделий, невостребованных и снятых с производства;
- создание библиотечных элементов новых разрабатываемых изделий ЭКБ ОП в соответствии со сроками и мероприятиями, проводимыми Минпромторгом России.
При этом стоит отметить, что набор указываемых электротехнических и конструкционных параметров должен быть индивидуально определен для каждой функциональной группы изделий ЭКБ (малошумящие усилители, транзисторы, конденсаторы, аттенюаторы и т. п.).
Для ряда структурно сложных изделий ЭКБ в библиотечном описании требуется наличие IBIS-модели (Input/Output Buffer Information Specification). IBIS-модель — это внешнее описание изделия ЭКБ, без учета внутренней структуры и особенностей функционирования, но при этом параметры модели получают на основе вольт-амперных характеристик для различных логических состояний выводов по постоянному току, паразитных параметров корпуса и переходных характеристик на резистивной нагрузке. Параметры, необходимые для построения IBIS-модели, можно получить из экспериментального исследования образцов микросхем либо транслировать из SPICE-модели, что, естественно, требует наличия такой модели в библиотеке. Объединение модели с условным графическим описанием (УГО) изделия ЭКБ позволяет за счет привязки контактов в библиотечном элементе реализовывать электрически активные УГО, то есть имеющие индивидуальную маркировку входных, выходных и двунаправленных контактов изделия. Подобный подход позволяет исключить ошибки человеческого фактора при проектировании схемы в САПР, когда контакты подключены неправильным образом и/или висят «в воздухе». Нормативные документы, регламентирующие составление УГО, представлены в таблице 1.
Тип изделия ЭКБ |
Нормативный документ |
Дискретные компоненты |
ГОСТ 2.723 ГОСТ 2.725 ГОСТ 2.727 ГОСТ 2.728 ГОСТ 2.730 ГОСТ 2.755 |
Микросхемы цифровые |
ГОСТ 2.743 |
Микросхемы аналоговые |
ГОСТ 2.759 |
ПЛИС |
ГОСТ 2.743 |
Помимо описания параметров и УГО, библиотечный элемент изделия ЭКБ ОП должен содержать и геометрические DFM-модели (Design for manufacturing), представляющие собой данные по геометрии посадочного места и 3D-модель корпуса изделия с выводами. Главными задачами построения DFM-моделей являются минимизация используемой площади печатных плат, оптимизация общего пространства, что актуально для аппаратурных разработок, требующих компактности, а также для последующего моделирования в САПР моделей РЭА на внешние воздействия.
В рамках реализации DFM-моделей не только создаются библиотечные элементы для САПР, но и предусматривается формирование правил для САПР на базе технологических возможностей отечественных производств — правил DRC-контроля (Design Rules Check). Необходимость обеспечить разработчика РЭА технологическими DRC-правилами в САПР обусловлена тем, что зачастую спроектированная с применением автотрассировщика или заложенных по умолчанию правил печатная или керамическая плата не может быть изготовлена и смонтирована на доступных производствах. Указанные в САПР технологические нормы на ширину проводников, зазоры и т. д. для печатных и керамических плат позволяют гарантированно обеспечить реализуемость разработок как на собственных, так и на сторонних производствах.
В то же время создание специализированных изделий ЭКБ (системы-на-кристалле, СнК) по принципу foundry позволяет в рамках разработки РЭА снизить массогабаритные показатели аппаратуры и на отечественных фабриках создавать функционально законченные узлы и аппаратурные блоки. Наличие в САПР библиотек таких сложнофункциональных микроэлектронных узлов, реализуемых на отечественных фабриках, позволяет разработчику создать необходимые специализированные изделия ЭКБ при крайне небольших размерах партий.
Общая структура библиотечного элемента изделия ЭКБ ОП для САПР представлена на рис. 2.
Требования, предъявляемые к элементам базы данных ЭКБ ОП с точки зрения моделирования РЭА
Условия эксплуатации РЭА и измерительно-вычислительных систем могут в зависимости от спектра выполняемых задач изменяться в весьма широких пределах. Факторы, воздействующие на приборы и компоненты, в определенной мере ограничивают работоспособность аппаратуры, по этой причине грамотное проектирование РЭА в САПР представляет первостепенную меру защиты от вывода прибора из строя. Для решения этой задачи библиотечные 3D-модели изделий ЭКБ ОП для САПР включают не только базовую геометрию, но и физико-химические параметры применяемых материалов для изделий ЭКБ, корпусов элементов, а также материалов крепления элементов (паяющих паст).
Вне зависимости от специфики применения РЭА для сложных вычислительных устройств выполняется два основных моделируемых воздействия (табл. 2).
Воздействующие факторы |
Тип моделирования |
Пример |
Механические и акустические (вибронагрузка с определенной частотой и ускорением, линейный удар) |
Прочностный расчет |
|
Температурные в условиях вакуума (отсутствие конвекции) |
Тепловой расчет |
В РЭА несущими элементами, обеспечивающими крепление изделий ЭКБ, служат пластины. В отличие от изделий ЭКБ здесь пластиной является плоский элемент, чья длина и ширина во много раз больше толщины, в результате в зависимости от расположения компонентов и их массы такая конструкция в условиях вибрационных нагрузок (например, при транспортировке прибора автомобилем или выводе аппаратуры на орбиту) обладает собственными частотами механических колебаний или конструктивными резонансами. Если частота вибрационных воздействий совпадает с собственной частотой печатной платы, она испытывает максимальные механические перегрузки, которые могут привести к ее разрушению, разрушению элементов, к отрыву контактных площадок, паяных контактов и проводов. Поэтому при проектировании РЭА необходимо выполнять расчеты по определению вибрационной и ударной прочности конструкций, а также вычислять резонансные частоты и нагрузки.
Для пластин с распределенной нагрузкой собственная частота колебаний рассчитывается базово, согласно выражению (1). В САПР расчет производится индивидуально по всей пластине в соответствии с заданной сеткой моделирования и распределением изделий ЭКБ на плате, способами их крепления и непосредственно с элементами крепления платы в РЭА [2, 3]:
где Kα — коэффициент, определяемый способом крепления пластины в РЭА; D — цилиндрическая жесткость пластины; a — длина наибольшей стороны пластины; b — длина наименьшей стороны пластины; mP — масса непосредственно платы, кг; mE — масса элементов, установленных на плате, кг.
В результате можно сделать выводы, что даже для базового прочностного расчета библиотека изделий ЭКБ ОП для САПР, помимо габаритных характеристик (3D-модели), должна включать данные о массе изделий ЭКБ.
В то же время для правильного функцио-нирования РЭА определяющим является обеспечение оптимального температурного режима для компонентов, что, естественно, влияет и на место установки РЭА: расположение источников внешнего подогрева, выделение тепла активными элементами внутри. Необходимо, чтобы температура нагрева чувствительных к температуре изделий ЭКБ находилась в допустимых пределах. Кроме того, для многих конструктивных материалов характерно тепловое старение [4, 5].
Оптимальный тепловой расчет в САПР особенно необходим в случае проектирования РЭА, функционирующей в условиях недостаточного или полностью отсутствующего теплообмена, например в космосе.
В основе теплового расчета РЭА в САПР лежит решение системы уравнений теплового баланса для каждого элемента на плате в соответствии с заданной сеткой моделирования (табл. 3).
Тип элемента |
Рассчитываемое уравнение |
Схема теплообмена |
Контакт |
||
Элемент платы |
||
Изделие ЭКБ |
Для выполнения теплового расчета библиотека изделий ЭКБ ОП для САПР, помимо габаритных характеристик (3D-модели), должна включать данные о применяемых материалах в изделиях ЭКБ и конструкции платы, а также их базовых рабочих тепловых режимах. В данном случае определяющими являются характеристики теплового сопротивления применяемых корпусов и температуры на переходе кристалл-корпус, которые определяют рассеиваемую мощность компонентов платы:
P = (Tj–25)/Rθ, (2)
где Tj — максимальная рабочая температура на переходе кристалл-корпус, °C; Rθ — тепловое сопротивление корпуса, °C/Вт.
Заключение
Проведенный анализ показал, что разработка базы данных библиотек изделий ЭКБ ОП для САПР становится приоритетной задачей для оптимизации и сокращения сроков проектирования РЭА. Существование такой библиотеки априори сделает применение при проектировании РЭА изделий ЭКБ ОП более привлекательным не только благодаря обеспечению постоянного доступа к электронному перечню электротехнических и массогабаритных изделий ЭКБ ОП без необходимости закупки ТУ на каждый отдельный компонент, но и за счет создания под каждый элемент необходимого инструментария для схемотехнического проектирования, разводки и моделирования воздействия на РЭА.
Внедрение в САПР библиотек на отечественную ЭКБ, необходимых для разработки РЭА, уже показало свою эффективность в связи с резким ростом применения отечественных комплектующих, а внедрение новых аспектов реализации библиотечных моделей, таких как электрически активные УГО, DRC-проверки ПМ в соответствии с возможностями отечественных фабрик, а также привязка параметров материалов к 3D-моделям привели к снижению схемотехнических и конструкторских ошибок при проектировании аппаратуры.
Отдельным нерешенным вопросом остается создание самой полной базы библиотек и справочников на номенклатуру отечественной ЭКБ, к которой могли бы подключаться проектировщики РЭА и работать с ней в рамках используемых САПР.
Литература
- Аветисян Д. А. Автоматизация проектирования электротехнических систем и устройств. Учебн. пос. М.: Высшая школа, 2005.
- Каленкович Н. И. Проектирование РЭС с учетом механических воздействий. Учебн., пос. по курсу «Конструирование радиоэлектронных средств» для студентов специальности «ПиП РЭС». Минск, БГУИР, 1999.
- Шимкович А. А. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств (электронно-вычислительных средств). Методич. пос., части 1 и 2. Минск, МРТИ, 1991.
- Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высшая школа, 1984.
- Дульнев Г. Н., Парфенов В. Г., Сигалов А. В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. М.: Высшая школа, 1990.