Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 800552

.pdf
Скачиваний:
37
Добавлен:
01.05.2022
Размер:
5.07 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

М. А. Ромащенко

ОСНОВЫ ВНУТРИАППАРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Учебное пособие

Воронеж 2020

1

УДК 621.396.6.001.66:621.391.827(075.8) ББК 32.844я7

Р698

Рецензенты:

кафедра основ радиотехники и электроники Воронежского института ФСИН России (нач. кафедры канд. техн. наук, доц. Р. Н. Андреев); д-р техн. наук, проф. А. В. Строгонов

Ромащенко, М. А.

Основы внутриаппаратурной электромагнитной совместимости:

учебное пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. Р698 данные (4,8 Мб) / М. А. Ромащенко. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020. – 1 электрон.

опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024×768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7731-0856-6

Вучебном пособии приведены базовые понятия и общие представления

овнутриаппаратурной электромагнитной совместимости, рассмотрены

причины возникновения проблемы, тенденции развития и основные пути ее решения. Особое внимание в пособии уделено практическим способам решения наиболее характерных прикладных задач, возникающих при обеспечении электромагнитной совместимости в реальных конструкциях электронных средств и приборов.

Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств») и 12.03.01 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение») очной и заочной форм обучения. Может быть использовано при изучении дисциплин «Электромагнитные процессы в электронных средствах», «Электромагнитная совместимость приборов», «Основы конструирования электронных средств», «Основы проектирования приборов и систем».

Ил. 82. Табл. 1. Библиогр.: 26 назв.

УДК 621.396.6.001.66:621.391.827(075.8)

ББК 32.844я7

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ISBN 978-5-7731-0856-6

© Ромащенко М. А., 2020

 

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

 

технический университет», 2020

2

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВЧ – высокие частоты ДПП – двухсторонняя печатная плата

ИИП – импульсный источник питания ИМС – интегральная микросхема МПП – многослойная печатная плата НЧ – низкие частоты ОПП – односторонняя печатная плата ПП – печатная плата ПУ – помехоустойчивость ПЭ – помехоэмиссия

РЭС – радиоэлектронное средство ЭМИ – электромагнитное излучение ЭМО – электромагнитная обстановка ЭМП – электромагнитные помехи

ЭМС – электромагнитная совместимость ЭМУ – электромагнитная устойчивость ЭМЭ – электромагнитный экран ЭС – электронное средство ЭСР – электростатический разряд

ESL – эквивалентная последовательная индуктивность

3

ВВЕДЕНИЕ

Согласно нормативным документам электромагнитная совместимость (ЭМС) определяется как способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке (ЭМО) и не создавать недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) другим техническим средствам [1]. При этом под техническим средством данный ГОСТ подразумевает любое электротехническое, электронное и радиоэлектронное изделие, а также любое изделие, содержащее электрические и/или электронные составные части. Таким образом, радиоэлектронные средства (РЭС) являются одним из видов технических средств и должны разрабатываться с учетом соответствующих требований. Этот же ГОСТ дает определение помехоустойчивости (ПУ) технического средства как его способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Так почему же в последнее время обеспечения ЭМС все чаще упоминается в научной и технической литературе, производители электроники все чаще говорят об ЭМС как о неотъемлемой части разработки изделий, постоянно развиваются и ужесточаются нормативные документы в части обеспечения ЭМС, проводится большое число мастер-классов, семинаров и курсов повышения квалификации, посвященных этому вопросу? Ответ на этот вопрос дадут несколько задокументированных несчастных случаев, которые так или иначе связаны с проблемами обеспечения ЭМС.

В1996 году самолет Boeing 747, выполнявший международный пассажирский рейс TWA800 между Нью-Йорком и Парижем, взорвался через 12 минут после взлёта. Все 230 человек, находившихся на борту, погибли [2]. После длительного расследования, включавшего поиски и реконструкцию основных частей самолета, было установлено, что наиболее вероятной причиной взрыва являлась искра в топливном баке, воспламенившая воздушнотопливную смесь. Эта искра была прямым следствием большого скачка напряжения из-за переходных процессов во внешних цепях или электростатического разряда.

В2007 году в ходе исследований, проведенных учеными Амстердамского университета, было задокументировало около 50-ти случаев электромагнитного

влияния сотовых телефонов на медицинское оборудование, работающее в больницах, из которых 75 % были оценены как значительные или опасные [3]. Данные, опубликованные в 2008 году, наглядно показали, что электромагнитные помехи от RFID-устройств также могут быть потенциальными причинами сбоев в работе медицинского оборудования [4].

Отмечен случай самопроизвольного срабатывания управляющей автоматики на ядерной электростанции Nine Mile Point в США из-за электромагнитных помех вызванными служебными радиостанциями обслуживающего персонала. Несмотря на огромные усилия, прилагаемые для обеспечения безопасности при проектировании и создании атомных электростанций,

4

достаточно слабое излучение от обычной носимой радиостанций привело

ксерьезному сбою в работе.

Ксожалению, это далеко не все произошедшие случаи. Проблемы, связанные с обеспечением ЭМС, являются причиной многих несчастных случаев и миллиардных убытков каждый год. Из-за массового распространения в последнее десятилетие микропроцессорных устройств, высокочастотных схем и маломощных передатчиков, широко применяемых в бытовой технике, автомобильной промышленности, выполнение требований ЭМС становится все более сложным, а число аспектов, принимаемых во внимание, стремительно увеличивается. Так, в [5] приведены факты, когда вблизи определенных мест, где располагались мощные источники радиоизлучения, автомобильная электроника давала сбои вплоть до полной неработоспособности. Комичным, но очень показательным можно считать пример с обычной игрушечной уткой, квакающей при нажатии на кнопку. Оказавшись поблизости от работающей микроволновой печи, утка начинала произвольно крякать вследствие воздействия на нее электромагнитных помех.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОПРОСАХ, РЕШАЕМЫХ В РАМКАХ ЗАДАЧ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭМС

1.1. Составляющие проблемы обеспечения ЭМС

Разработка новой компонентной базы и физических принципов ее работы, появление новых материалов и технологий производства, широкое распространение ЭВМ и специализированных САПР, активное внедрение новых подходов и методов проектирования – все это, с одной стороны, позволяет разработчику существенно повысить эффективность своей работы и получить принципиально новый функциональный уровень разработок, но, с другой стороны, предъявляет повышенные требования к квалификации и применяемым техническим решениям. В части вопросов обеспечения требований ЭМС и ПУ данная проблема стоит особенно остро, учитывая их прямую зависимость от быстродействия и сложности разрабатываемых электронных средств (ЭС), увеличения плотности компоновки и степени интеграции ИМС, применения «систем в корпусе» и «систем на кристалле».

Традиционно принято выделять следующие уровни ЭМС: межсистемный, внутрисистемный и внутриаппаратурный [6]. Однако стремительное развитие микро- и наноэлектроники, повышение степени интеграции компонентной базы, разработки новых идеологий проектирования «систем на кристалле», «систем в корпусе», увеличение плотности упаковки ЭС привели к выделению еще одного иерархического уровня – внутрикомпонентного (рис. 1.1).

Межсистемный

Внутрисистемный

Внутриаппаратурный

Внутрикомпонентный

Рис. 1.1. Иерархические уровни задачи обеспечения ЭМС

Данный иерархический уровень имеет характерные особенности в соотношении длительности фронтов сигналов к геометрическим размерам конструкции, а также в части применяемых технических решений и потому требует применения соответствующих подходов, методов и способов.

6

В [7] предлагается следующее определение для внутрикомпонентного уровня обеспечения ЭМС – область задач, направленных на обеспечение требований ЭМС и ПУ внутри сложной компонентной базы (СБИС, БИС, МЭМС, микросборки) и минимизацию их электромагнитной связи с окружающим пространством.

И если по первым двум уровням имеется достаточно большое количество научных и прикладных работ, позволяющих эффективно решать возникающие задачи, то обеспечение внутриаппаратурной ЭМС и ПУ – эта та область деятельности, которой до настоящего времени практически не уделялось внимания. Как следствие, в сложившихся производственных процессах вопросам обеспечения требований ЭМС и ПУ при разработке ЭС отводилась второстепенная роль. Отчасти это обусловливалось сложностью математического аппарата, описывающего электромагнитные процессы в многоуровневой иерархической структуре, а отчасти – трудно формализуемыми задачами и способами их решения. Кроме того, перед разработчиками на первый план выходили другие, более острые вопросы – обеспечение механической стойкости и нормальных тепловых режимов, защита от внешних дестабилизирующих факторов, увеличение надежности и т.п. Однако в настоящий момент достигнута та черта, когда дальнейшее повышение эффективности разработки РЭС возможно только с учетом принятия во внимание требований ЭМС и ПУ и решением задач по их обеспечению.

Данная тенденция приводит к расширению круга профессиональных задач разработчика на всех этапах жизненного цикла изделия. Однако до сих пор нет четких и хорошо формализованных методов сквозного решения подобных задач, учитывающих многокритериальный и многопараметрический характер возникающей проблемы. В то же время существующая практика решения задач ЭМС на основе интуиции, субъективной оценки и имеющегося опыта разработчика не может удовлетворять высоким требованиям к скорости, прогнозируемости и эффективности разработки ЭС. Ситуация усугубляется недостаточно ясным распределением сфер деятельности специалистов, участвующих на схемотехническом, топологическом и конструкторскотехнологическом этапах разработки изделия.

На рис. 1.2 представлены три характерные составляющие, порождающие проблему ЭМС. Это источник электромагнитной энергии, приемник (или рецептор), который не может работать надлежащим образом в результате воздействия электромагнитной энергии, и путь между ними, по которому происходят паразитные наводки. Каждый из этих трех характерных элементов присутствует всегда, хотя в некоторых ситуациях распознать их бывает не просто. В основном обеспечение требований ЭМС достигается путем определения как минимум двух таких элементов и последующим устранением или ослаблением влияния одного из них.

7

ИСТОЧНИК

Путь влияния

ПРИЕМНИК

 

молнии

кабели

ИМС, БИС, СБИС

радиопередатчики

антенны

радиоприемники

высокоскоростные шины

цепи питания

высокоскоростные шины

электромоторы

паразитная емкость и

точная электроника

сварочные аппараты

индуктивность

медицинское оборудование

сотовые телефоны

заземление

человек

Рис. 1.2. Три характерные составляющие проблемы ЭМС

Поясним это на конкретном примере с атомной станцией, приведенном во введении. В данном случае рецептор был легко определен – сбой произошел в системе управления задвижкой турбины. Источник и связывающий путь изначально были неизвестны, однако в процессе расследования было установлено, что это носимые радиостанции, используемые обслуживающим персоналом. И хотя непосредственный путь воздействия не был известен, проблема была решена устранением источника (т.е. запретом использования маломощных радиопередатчиков на определенных участках). Более тщательным и, возможно, более безопасным подходом было бы определение путей воздействия и принятия мер по их устранению. Например, можно предположить, что электромагнитным излучением (ЭМИ) от носимых радиостанций были наведены токи в кабеле, который подключался к печатной плате (ПП), содержащей схему управления задвижкой турбины. Если предположить, что наведенные токи неблагоприятно сказываются на работе этой схемы, то возможно определить и путь паразитных наводок. Экранирование, установка фильтров, прокладка кабеля в другом месте или применение иной схемы управления – вот некоторые из возможных способов ослабления паразитной связи.

В качестве потенциальных источников в проблеме обеспечения ЭМС можно рассматривать: радиопередатчики, линии электропередач, ВЧ и высокоскоростные цифровые устройства, атмосферные молнии, диммеры электроламп, электрические моторы, сварочные аппараты, солнечные вспышки и все остальное, что так или иначе использует или вырабатывает электромагнитную энергию.

В качестве потенциальных приемников (рецепторов) в проблеме обеспечения ЭМС можно рассматривать: радиоприемники, чувствительные электронные приборы, медицинское оборудование, человека и все остальное, что так или иначе использует или может обнаруживать электромагнитную энергию.

8

Механизмы паразитных наводок электромагнитной энергии от источника

крецептору можно разделить на четыре основные группы:

-связь через общее сопротивление или кондуктивная связь (электрический ток);

-индуктивная связь (магнитное поле);

-емкостная связь (электрическое поле);

-связь через излучение (электромагнитное поле).

На практике паразитные воздействия часто являются сложной комбинацией этих механизмов, что обуславливает сложность их определения, даже когда источник и рецептор известны. Наводки могут осуществляться по нескольким путям, и в таких случаях меры, принятые для ослабления одного из них, могут увеличить влияние другого.

1.2. Краткий экскурс в историю ЭМС

История проблемы обеспечения ЭМС начинается в то же время, когда человечество научилось использовать радиоволны для передачи информации. Так, в 1895 году русским ученым А. С. Поповым были успешно проведены первые эксперименты по беспроводной связи. Однако в дальнейшем при попытке одновременной работы двух близкорасположенных радиостанций возникали сильные перекрестные помехи. Причина заключалась в том, что

впервых передатчиках рабочая частота и полоса пропускания в основном определялись размером, формой и конструкцией передающей антенны. Приемная антенна, в свою очередь, «настраивалась» на соответствующую рабочую частоту, но контролировать полосу пропускания было сложно. Таким образом, при одновременной работе двух передатчиков, если они находились на небольшом удалении, приемник детектировал оба поля и принимаемые сигналы становились неразборчивыми. Очевидно, что с широким распространением радиопередающей аппаратуры данная проблема радиочастотных помех становилась все более актуальной и требовала решения.

Так, в 1904 году в США было подписано правительственное распоряжение, уполномочивающее Министерство торговли навести порядок в работе частных радиостанций, правительственной связи и радиосвязи военно-морского флота. С целью уменьшения влияния радиочастотных помех различным типам радиопередатчиков были выделены разные частотные диапазоны, для работы

вкоторых отводилось определенное время.

В1906 году для уменьшения ширины полосы частот беспроводных передатчиков и приемников начали активно использоваться различные искрогасящие цепи и резонансные схемы. Однако по-настоящему сделать

узкую полосу частот передатчика и приемника позволило изобретение в 1912 году генератора на электронной лампе и в 1918 году супергетеродинного приемника. Эти разработки также сделали возможным передачу относительно чистой речи, что проложило путь для коммерческого радиовещания.

9