CN111398780A - 一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法 - Google Patents

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CN111398780A CN202010202333.8A CN202010202333A CN111398780A CN 111398780 A CN111398780 A CN 111398780A CN 202010202333 A CN202010202333 A CN 202010202333A CN 111398780 A CN111398780 A CN 111398780A
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Abstract

本发明提供一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，包括将电路板功率器件按工作温度由高到低排序，选取前s个器件作为待测温度值的关键元器件；利用热电偶测量方法采集关键元器件的温度值；确定每个关键元器件的热功耗；明确每个关键器件的热阻；获取每个关键器件的几何坐标；将上述关键器件的参数作为输入，拟合电路板温度分布式；将电路板功率器件按工作温度由高到低排序，选取s个关键器件后的h个器件作为非关键器件，采集其上述参数数据对电路板温度分布式进行优化；迭代前一步骤，直至电路板温度分布式计算结果精度满足要求；计算电路板各点的温度值，绘制出电路板温度分布云图。

Description

一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法
所属技术领域
本发明提供一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法。该方法通过对电路板上少量关键元器件温度进行测量，并将其热阻、热功耗、位置等参数作为温度的主要影响因素进行高精度分析，实现对电路板整体温度分布进行快速测试。本发明属于电子产品(含电路板)温度测试与分析技术。该方法可在测量较少元器件温度值的基础上快速测试整个电路板的温度分布，可广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、核工业等军工领域和新能源、通讯通信、轨道交通、机器人等民用领域中电路板产品的热测试与热分析、可靠性设计分析、仿真模型校核、测试试验验证等方面。
背景技术
电子产品朝着复杂化、集成化、小型化的方向发展，其在工作过程中所消耗的热能除做有用功之外，剩余热能会转化成大量热量，使电路板表层温度急剧上升，如果不能对电路板温度进行快速测试并进行合理的热分析与热设计，会使得电路板关键部位的元器件持续升温，最终导致元器件热失效，进而影响电子产品整体的可靠性。因此，能够实现对电路板温度分布的快速测试对于防止元器件热失效尤为重要。
目前常用的电子产品及电路板温度测试与分析方法主要包括电阻温度计和热电偶接触式方法、红外测量非接触式方法、以及有限元和计算流体力学仿真分析方法等。然而，在工程实际应用中，现有方法仍存在如下缺点及局限性：
1)当电路板和元器件尺寸较小时，使用电阻温度计或热电偶等接触式方法难以测量或测量误差较大；
2)采用非接触式方法测量电路板温度分布的测量精度有限或测量误差较大；
3)电路板温度测试方法大多集中于个别元器件的温度测试，而对于整板温度分布的测试尚有缺失；
4)采用仿真分析方法对电路板温度分布进行确定，往往周期长，效率低，不适应于工程上要求的快速响应等应用要求。
发明内容
针对上述缺点和局限性，本发明提出一种基于电路板大功率元器件分布选取少量高温关键元器件进行温度测量，再将关键元器件的热阻、热功耗、位置等参数等作为主要影响因素对电路板温度分布进行高精度分析，进而实现电路板及其元器件温度分布的快速测试，主要包括如下步骤：
(1)将电路板上功率元器件按工作温度由高到低排序，共选取s个元器件作为待测温度值的关键元器件；
(2)利用热电偶测量方法采集关键元器件的温度值ti(i＝1,2,…,s)；
(3)查阅元器件数据手册，确定每个关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)；
(4)查阅元器件数据手册，明确每个关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)；
(5)查阅电路板设计原理图，获取每个关键元器件的几何坐标(xi,yi)(i＝1,2,…,s)；
(6)将步骤(2)至步骤(5)中测量的温度值及查阅手册所获取的关键元器件参数作为输入，拟合电路板温度分布式T(x,y,Rja,P)；
(7)将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取步骤(1)排序中的第s个关键元器件后h个元器件作为非关键元器件，采集其温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为修正数据对电路板温度分布式进行修正和优化；
(8)以电路板温度分布式计算结果的精度为优化目标，反复迭代步骤(7)，直至公式计算结果精度满足实际工程要求；
(9)根据所拟合的电路板温度分布式计算电路板各点的温度，再以电路板的长/宽尺寸为横/纵坐标，计算出电路板各点的温度值并对应不同颜色，绘制出电路板温度分布云图。其中最高温度对应红色，最低温度对应蓝色，中间温度均匀对应红色到蓝色的颜色区间。
其中，在步骤(1)中将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取前s个元器件作为待测温度值的关键元器件的过程中，需要综合考虑电路板功率元器件的分布、元器件的散热能力高低，将功率元器件按照其工作温度的高低进行排序，选取温度较高的前s个元器件作为关键元器件，所选取的关键元器件数量s可根据电路板功率元器件数量动态调整，考虑到实际工程应用价值和电路板温度分布式的计算复杂度，关键元器件数量s应占电路板功率元器件的1％～5％。
其中，在步骤(2)中所述利用热电偶测量方法采集关键元器件的温度值ti(i＝1,2,…,s)的过程中，在相同环境条件下，对每个关键元器件的壳温进行n次测量，计算采集温度数据的平均值作为每个关键元器件的温度。根据工程测量经验，测量次数n取值范围为2～4次。
其中，在步骤(3)中所述查阅元器件数据手册，确定每个关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)的过程中，可从元器件数据手册、公开发表的文献或权威报告中获取元器件的电学参数值，确定关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)。
其中，在步骤(4)中所述查阅元器件数据手册，明确关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)的过程中，可通过查阅电路板元器件数据手册、公开发表的文献或权威报告等获得关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)。
其中，在步骤(5)中所述查阅电路板设计原理图，获取每个关键元器件的几何坐标(xi,yi)(i＝1,2,…,s)的过程中，可从电路板设计原理图中获取元器件的几何中心作为元器件的位置参数(xi,yi)(i＝1,2,…,s)。
其中，在步骤(6)中所述将步骤(2)至步骤(5)中测量的温度值及查阅手册所获取的关键元器件参数作为输入，拟合电路板温度分布式T(xi,yi,Rjai,Pi)(i＝1,2,…,s)的过程中，将步骤(2)至步骤(5)中的关键元器件温度值ti(i＝1,2,…,s)、热功耗Pi(i＝1,2,…,s)、热阻Rjai(i＝1,2,…,s)和位置参数(xi,yi)(i＝1,2,…,s)等作为输入，结合多元线性回归算法及最小二乘误差分析法拟合出电路板温度分布式。根据工程项目经验，判断各项对分布式的影响大小，推荐分布式各项次数范围为2～4次。设定本发明电路板温度分布式的最高项次数为4次，并认为元器件的热功耗和热阻对电路板温度影响较大，分别设定为4次和2次。具体计算公式如下：
T(x,y,Rja,P)＝AP4+BRja 2+Cy+Dx+E
式中，A、B、C、D、E是待定参数；P是元器件热功耗计算值；Rja是元器件热阻参数；x是元器件横坐标；y是元器件纵坐标；E为分布式修正参数。
其中，在步骤(7)中所述将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取步骤(1)中关键元器件后的h个功率元器件作为非关键元器件，采集其温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为修正数据对电路板温度分布式中进行修正和优化的过程中，非关键元器件的个数h和关键元器件个数s相同，即也应占电路板功率元器件的1％～5％。对于确定的非关键元器件，重复步骤(2)至步骤(5)的过程测量非关键元器件的温度，并通过数据手册明确其热功耗、热阻和几何坐标，将非关键元器件的温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为输入，进一步确定电路板温度分布式中的待定系数。
其中，在步骤(8)中所述以电路板温度分布式计算结果的精度为优化目标，反复迭代步骤(7)，直至公式计算结果精度满足实际工程要求的过程中，根据步骤(7)中电路板温度分布式的结果，依次计算电路板关键元器件和非关键元器件的温度，并将之与实测的温度值进行比较，判断结果误差是否满足实际工程要求，推荐结果误差范围为±1％～±5％。如果满足，则得到电路板温度分布式；如果不满足，则迭代步骤(7)过程，增选电路板非关键元器件数量，对电路板温度分布式进行修正和优化，直至结果误差满足实际工程需要。
其中，在步骤(9)中所述根据所拟合的电路板温度分布式计算电路板各点的温度，再以电路板的长/宽尺寸为横/纵坐标，计算出电路板各点的温度值并对应不同颜色，绘制出电路板温度分布云图。其中最高温度值对应红色，即标准十进制RGB值为(255，0，0)，最低温度值对应蓝色，即标准十进制RGB值为(0，0，255)，中间温度值均匀对应红色到蓝色的颜色区间的过程中，依据本发明拟合出的电路板温度分布式T(x,y,Rja,P)，结合电路板整体分布元器件的热功耗、热阻和位置参数等信息，计算电路板整体元器件的温度值，并根据计算结果生成待测电路板的整体温度分布云图。
本发明的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，它提供了一种电路板级温度整体分布快速测试的思路，即基于对少量关键元器件和非关键元器件的温度、热阻、热功耗、位置等参数的采集，利用多元线性回归算法拟合出电路板整体温度分布式，再根据该分布式计算出电路板各处的温度值，最终利用温度云图的形式展现出电路板整体温度分布的情况。本发明的优点及功效在于：a.电路板温度分布的测试过程只需进行少量测点即可得到电路板整体温度分布，只需测量少量关键元器件和非关键元器件的温度、热功耗、热阻和位置等参数，在提高测试效率的同时，大大降低了成本；b.适用于测试电路板整体温度分布，克服以往单个元器件温度值的结果，获取信息更加完整、全面；c.可实现对于电路板实物的测试与仿真模型的相互结合，可用于仿真模型的校核与检验。
附图说明
图1一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法流程图
图2待测电路板实物图
图3待测电路板温度分布云图
具体实施方式
为使本发明的特征及优点得到更清楚的了解，以下结合图1对本发明作详细说明如下：
本发明一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法的具体实施步骤是：
步骤(1)：将电路板元器件按工作温度由高到低排序，选取前s个元器件作为待测温度值的关键元器件。
对于待测电路板，综合考虑大功率及高温元器件的分布、元器件的散热能力高低，将电路板各元器件按照其工作温度的高低进行排序，选取温度较高的前s个元器件作为关键元器件。示例中以待测电路板(如图2)为例，电路板总元器件数约为1600个，其中功率元器件为68个，考虑到选取关键元器件的个数应为功率元器件个数的1％～5％，故将待测电路板按工作温度由高到低排序，选取前7个高温元器件作为电路板关键元器件N1～N7，并进行1～7编号。
步骤(2)：利用热电偶测量方法采集关键元器件的温度值ti(i＝1,2,…,s)。
对于所选取的关键元器件，利用热电偶测量方法对元器件的壳温分别进行测量，控制电路板工作状态及环境条件相同的条件下，对每个关键元器件的温度件进行3次测量，并取均值作为该关键元器件的温度值，具体数据如表1所示。
表1关键元器件温度测量值及温度平均值
Figure BDA0002419817100000061
步骤(3):查阅元器件数据手册，确定每个关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)。
示例中对于待测电路板中选取的7个关键元器件，查阅元器件的数据手册，在考虑实际工作温度条件下确定各个关键元器件的热功耗P，采集到的热功耗数据如表2所示。
步骤(4)：查阅元器件数据手册，明确每个关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)。
示例中通过查阅对应型号的关键元器件生产厂商提供的数据手册，可以获得每个关键元器件的热阻数据，采集到的热阻值数据如表2所示。
步骤(5)：查阅电路板设计原理图，获取每个关键元器件的几何坐标(xi,yi)(i＝1,2,…,s)。
示例中通过电路板设计手册查阅待测电路板中所选取的7个关键元器件的位置参数，采集关键元器件的几何中心坐标作为关键元器件的位置参数，最终确定关键元器件的几何坐标值如表2所示。
表2关键元器件参数值信息
Figure BDA0002419817100000071
步骤(6):将步骤(2)至步骤(5)中测量的温度值及查阅手册所获取的关键元器件参数作为输入，拟合电路板温度分布式T(x,y,Rja,P)。
数据拟合过程中，使用Matlab对7组关键元器件参数数据按照设定的电路板温度分布式形式进行拟合，得到电路板整体温度分式如下：
Figure BDA0002419817100000072
步骤(7)：将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取步骤(1)中s个关键元器件后的h个元器件作为非关键元器件，采集其温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为修正数据对电路板温度分布式进行修正和优化。
示例中根据非关键元器件的选取原则，将待测电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取7个关键元器件后的6个元器件作为非关键元器件，对其进行1～6编号，重复上述步骤采集非关键元器件的各项参数如表3所示，通过对电路板温度分布式的修正参数E和各项系数的修改来优化电路板温度分布式的结果精度。
表3非关键元器件参数信息
Figure BDA0002419817100000081
将上表非关键元器件数据带入到步骤(6)所得的电路板温度分布式中，得到修正后的电路板温度分布式如下：
Figure BDA0002419817100000082
步骤(8)：以电路板温度分布式计算结果的精度为优化目标，反复迭代步骤(7)，直至公式计算结果精度满足实际工程要求。
示例中假设实际工程误差要求为±5％，利用步骤(7)中所得修正后的电路板温度分布式计算电路板功率元器件的理论温度，将其与实测的元器件温度值进行比较，判断结果的误差是否满足要求，如果满足，则得到电路板温度分布式；如果不满足，则继续选取电路板功率元器件作为非关键元器件来对电路板分布式进行修正和优化，直至结果误差满足实际工程需要。本示例在满足误差要求为的条件下，反复迭代2次步骤(7)中的修正过程，增取6个非关键元器件，最终在满足结果误差要求的条件下，确定电路板温度分布式如下：
Figure BDA0002419817100000083
步骤(9)：根据所拟合的电路板温度分布式计算电路板各点的温度，再以电路板的长/宽尺寸为横/纵坐标，计算出电路板各点的温度值并对应不同颜色，绘制出电路板温度分布云图。其中最高温度值对应红色，即标准十进制RGB值为(255，0，0)，最低温度值对应蓝色，即标准十进制RGB值为(0，0，255)，中间温度值均匀对应红色到蓝色的颜色区间。
示例中使用Matlab软件，以电路板温度分布式T(x,y,Rja,P)为基础，计算出电路板不同位置的温度，设定最高温度对应标准十进制RGB为(255，0，0)的红色，最低温度对应标准十进制RGB值为(0，0，255)的蓝色，再结合Meshgrid函数绘制出电路板温度分布云图(如图3)。

Claims (11)

1.一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取前s个元器件作为待测温度值的关键元器件；
(2)利用热电偶测量方法采集关键元器件的温度值ti(i＝1,2,…,s)；
(3)查阅元器件数据手册，确定每个关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)；
(4)查阅元器件数据手册，明确每个关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)；
(5)查阅电路板设计原理图，获取每个关键元器件的几何坐标(xi,yi)(i＝1,2,…,s)；
(6)将步骤(2)至步骤(5)中测量的温度值及查阅手册所获取的关键元器件参数作为输入，拟合电路板温度分布式T(x,y,Rja,P)；
(7)将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取步骤(1)中s个关键元器件后的h个元器件作为非关键元器件，采集其温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为修正数据对电路板温度分布式进行修正和优化；
(8)以电路板温度分布式计算结果的精度为优化目标，反复迭代步骤(7)，直至公式计算结果精度满足实际工程要求；
(9)根据所拟合的电路板温度分布式计算电路板各点的温度，再以电路板的长/宽尺寸为横/纵坐标，计算出电路板各点的温度值并对应不同颜色，绘制出电路板温度分布云图。其中最高温度值对应红色，即标准十进制RGB值为(255，0，0)，最低温度值对应蓝色，即标准十进制RGB值为(0，0，255)，中间温度值均匀对应红色到蓝色的颜色区间。
2.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(1)中将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取前s个元器件作为待测温度值的关键元器件的过程中，需要综合考虑电路板功率元器件的分布、元器件的散热能力高低，将功率元器件按照其工作温度的高低进行排序，选取温度较高的前s个元器件作为关键元器件，所选取的关键元器件数量s可根据电路板功率元器件数量动态调整，考虑到实际工程应用价值和分布式的计算复杂度，关键元器件数量s应占电路板功率元器件的1％～5％。
3.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(2)中所述利用热电偶测量方法采集关键元器件的温度值ti(i＝1,2,…,s)的过程中，在相同环境条件下，对每个关键元器件的壳温进行n次测量，计算采集温度数据的平均值作为每个关键元器件的温度。根据工程测量经验，推荐测量次数n取值范围为4～8次。
4.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(3)中所述查阅元器件数据手册，确定每个关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)的过程中，可从元器件数据手册、公开发表的文献或权威报告中获取元器件的电学参数值，确定关键元器件的热功耗Pi(i＝1,2,…,s)。
5.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(4)中所述查阅元器件数据手册，明确关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)的过程中，可通过查阅电路板元器件数据手册、公开发表的文献或权威报告等获得关键元器件的热阻Rjai(i＝1,2,…,s)。
6.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(5)中所述查阅电路板设计原理图，获取每个关键元器件的几何坐标(xi,yi)(i＝1,2,…,s)的过程中，可从电路板设计原理图中获取元器件的几何中心作为元器件的位置参数(xi,yi)(i＝1,2,…,s)。
7.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(6)中所述将步骤(2)至步骤(5)中测量的温度值及查阅手册所获取的关键元器件参数作为输入，拟合电路板温度分布式T(xi,yi,Rjai,Pi)(i＝1,2,…,s)的过程中，将步骤(2)至步骤(5)中的关键元器件温度值ti(i＝1,2,…,s)、热功耗Pi(i＝1,2,…,s)、热阻Rjai(i＝1,2,…,s)和位置参数(xi,yi)(i＝1,2,…,s)作为输入，结合多元线性回归算法及最小二乘误差分析法拟合出电路板温度分布式。根据工程项目经验，设定电路板温度分布式的最高项次数为4次，并认为元器件的热功耗和热阻对电路板温度影响较大，分别设定为4次和2次。具体计算公式如下：
T(x,y,Rja,P)＝AP4+BRja 2+Cy+Dx+E
式中，A、B、C、D、E是待定参数；P是元器件热功耗计算值；Rja是元器件热阻参数；x是元器件横坐标；y是元器件纵坐标；E为分布式修正参数，根据实际工程的误差要求E可分别取E1(±1％误差)，E3(±3％误差)，E5(±5％误差)。
8.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(7)中所述将电路板功率元器件按工作温度由高到低排序，选取步骤(1)中关键元器件后的h个功率元器件作为非关键元器件，采集其温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为修正数据对电路板温度分布式中进行修正和优化的过程中，非关键元器件的个数h和关键元器件个数s相同，即也应占电路板功率元器件的1％～5％。对于确定的非关键元器件，可重复步骤(2)至步骤(5)过程，将非关键元器件的温度值、热功耗、热阻和位置等参数作为输入，进一步确定电路板温度分布式中的待定系数。
9.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(8)中所述以电路板温度分布式计算结果的精度为优化目标，反复迭代步骤(7)，直至公式计算结果精度满足实际工程要求的过程中，根据步骤(7)中电路板温度分布式的结果，依次计算电路板关键元器件和非关键元器件的温度，并将之与实测的温度值进行比较，判断结果误差是否满足实际工程要求，如果满足，则得到电路板温度分布式；如果不满足，则迭代步骤(7)过程，增选电路板非关键元器件数量，对电路板温度分布式进行修正和优化，直至结果误差满足实际工程需要。
10.根据权利要求1所述的一种基于少量测点数据的电路板温度分布快速测试方法，其特征在于：在步骤(9)中所述根据所拟合的电路板温度分布式计算电路板各点的温度，再以电路板的长/宽尺寸为横/纵坐标，计算出电路板各点的温度值并对应不同颜色，绘制出电路板温度分布云图。其中最高温度值对应红色，即标准十进制RGB值为(255，0，0)，最低温度值对应蓝色，即标准十进制RGB值为(0，0，255)，中间温度值均匀对应红色到蓝色的颜色区间的过程中，依据本发明拟合出的电路板温度分布式T(x,y,Rja,P)，结合电路板整体分布元器件的热功耗、热阻和位置参数等信息，计算电路板整体元器件的温度值，并根据计算结果生成待测电路板的整体温度分布云图。
11.根据权利要求1所述的一种基于少测试的线路板温度分布计算方法，其特征在于：该种方法可通过改进元器件确定原则、改进元器件温度测试方法、改进线路板温度分布式的拟合方法、改进线路板温度分布云图的绘制方法等途径，实现基于少测试的线路板温度分布的计算；因此以上途径及近似途径实现的线路板温度分布计算方法均归属于本专利的权利要求范围。
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