Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Osnovy_proekt_ES_UchPosob_2007

поля, а также протекают неустановившиеся токи, зависящие от мощности дозы излучения.

Рис. 10.35. Виды эффектов, вызываемые различными видами излучения.

Эти эффекты могут привести к появлению ложных сигналов или сбоев в ЭС или к пропаданию полезных сигналов, а также при недостаточной электрической прочности входных и выходных цепей к их перегоранию.

Ионизация. Входящие в состав ИИ заряженные частицы как первичные, так и вторичные выделяют в веществе энергию преимущественно пу-

170

тем образования вдоль траектории движения электронно-ионных пар. Ионизационными называются эффекты, вызванные этими низкоэнергетическими заряженными носителями. Они отличаются от эффектов переноса зарядов, которые определяются как смещение зарядов высокоэнергетическими частицами.

Число образующихся электронно-дырочных пар независимо от вида первичных частиц определяется только количеством энергии, выделяемой на ионизацию. Ионизационные эффекты проявляются в виде переходных эффектов (эффекты свободных носителей): промежуточных релаксационных, долговременных эффектов захваченных носителей и химических.

Возрастание числа свободных электронов и ионизированных атомов приводит к изменению электрофизических характеристик материала (удельное сопротивление, диэлектрические потери и т.п.) и формированию во внешних целях ЭРИ приращений токов. Из-за высокой подвижности свободных носителей неравновесное состояние обычно быстро исчезает после прекращения излучения.

Первичные ионизационные токи в активных ПП элементах могут усиливаться, и на выходе электрической схемы появятся усиленные вторичные токи, зависящие от схемы и режима работы активных элементов.

В диэлектриках появление полей вызывает ухудшение электрической прочности. В результате действия ионизационных токов возникают обратные изменения параметров аппаратуры, находящейся во включенном состоянии, что может приводить к временной потере ее работоспособности, ложным срабатываниям, сбоям и пропаданию полезного сигнала.

Эффекты, вызванные действиями ЭМИ. В общем случае при дейст-

вии ЭМИ в ЭС имеют место следующие эффекты:

-проникновение ЭМИ внутрь корпуса ЭС и искажение внутренних электрических и магнитных полей;

-возникновение ЭДС и токов на корпусах, выводах, проводах и других проводящих элементах;

-возникновение на изделиях ЭС импульсов, приходящих с других ЭС паразитных антенн.

Наиболее существенна и опасна импульсная наводка в длинных линиях связи, в антенных цепях.

При воздействии импульсных перенапряжений в ЭС могут наблюдать-

ся:

-пробои р-n переходов у ПП приборов;

-пробои вакуумных и газонаполненных промежутков;

-расплавление и обрывы токоведущих дорожек из-за термо- и электродинамических напряжений;

-сбои в работе и появление ложных сигналов.

171

При воздействии достаточно мощных и коротких по длительности ЭМИ иногда наблюдается эффект электродинамического отрыва выводов транзисторов от траверсов в месте их соединения.

3. Методы защиты ЭС от ионизирующих и ЭМИ излучений

Методы предотвращения нарушений работоспособности схем из-за воздействия ионизирующих излучений сводятся к следующим:

От временных эффектов:

-к компенсации протекающих токов; -к защите от протекания избыточных токов; -к защите от перенапряжений;

-к мерам по ускорению восстановления схемы в исходное состояние;

-к сохранению основных данных в стойкой памяти;

-к предотвращению потери информации;

-к предотвращению запирания дискретных схем.

От постоянных эффектов:

- к выбору высокочастотных приборов; -к ограничению на применение МОП-транзисторов в среде с высоким

уровнем дозы; -к разработке схем, допускающих большие уходы параметров элемен-

тов; -к минимизации чувствительности схем;

-к изменению параметров ЭРЭ.

Например, применение оптоэлектронных устройств для построения линии радиосвязи.

4. Методы защиты ЭС от ЭМИ сводятся к конструкционным, структурно-функциональным и схемотехническим

Конструкционные методы состоят в улучшении экранирования кабелей и аппаратуры, естественно при этом, что наиболее уязвимыми при воздействии ЭМИ оказываются элементы ЭС, непосредственно подсоединяемые к кабелям и проводам. Наводки в неэкранированных внешних кабелях могут быть очень большими при большой крутизне фронта.

Экранирование является наиболее радикальным и можно сказать, единственным эффективным способом защиты проводных линий связи.

При экранировании необходимо соблюдать все основные требования, определяющие эффективность экрана (заземление экрана оболочки, в начале и конце линий). Помимо экранирования для уменьшения амплитуды напряжения наводки следует выполнять эти связи с помощью симметричных линий.

172

Симметрирование заключается в скручивании с определенным шагом проводов линий для выравнивания параметров каждого из них по отношению к земле или экрану кабеля (рис. 10.36).

Рис. 10.36. Защита линии симметрированием Для гальванического разделения цепей вход-выход устройств ЭС могут

быть использованы трансформаторы, датчики Холла и т.п.

Для исключения перенапряжений в линиях связи на их нагрузке используют схемотехнические методы:

- применение разрядников, -применение фильтров в линиях связи (рис. 10.37).

Рис. 10.37. Защита линии с помощью фильтров

10.8. Основы автоматизации выбора способов электромагнитной защиты ЭС

Задача выбора способов электромагнитной защиты (ЭМЗ) ЭС относится к классу трудноформализуемых задач, поэтому для ее решения целесообразно использовать методологию, применяемую для разработки баз знаний экспертных систем аналогично теплозащите ЭС (см подраздел 7.5).

Анализ и систематизация причин сбоев и неустойчивой работы ЭС, имеющих электромагнитную природу, приводит к следующим группам причин сбоев:

1.Помехи (внутренние и внешние), распространяющиеся через пространство.

2.Помехи, проходящие по цепям питания.

3.Помехи, проходящие по сигнальным проводникам,

173

4. Искажения сигналов, обусловленные собственными RLCпараметрами электромонтажа и элементов.

Соответственно задача выбора способов ЭМЗ распадается на четыре подзадачи.

Для решения 1-й подзадачи первый способ уменьшения помех, проходящих через пространство – это пространственное разнесение источников и приемников помех (ИПП), если это возможно. Затем разработчик ЭС рассчитывает (или моделирует с применением программ посттопологического анализа ЭС), затухает ли наведенный электромагнитный сигнал до приемлемой величины. Если результаты окажутся неудовлетворительными, то следует применить экранирование ИПП.

Вид экрана зависит о вида связи между ИПП.

Если поле электрическое, то следует применить электростатический экран.

Если поле магнитное медленноменяющееся, то следует применить магнитный низкочастотный экран.

Если поле магнитное быстроменяющееся, то следует применять магнитный высокочастотный экран.

Если поле электромагнитное, то и экран следует применить электромагнитный.

Выбор способа уменьшения помех, проходящих по цепям питания (СУПЦП), можно представить как выбор на графе решения пути от корневой вершины к терминальным вершинам графа (рис. 10.38), где:

УвШП – увеличение ширины печатного проводника; УмДП – уменьшение длины проводника;

ПРПЦП – параллельное исполнение разнополярных печатных цепей питания;

ПОПЦП – параллельное исполнение однополярных печатных цепей питания;

НШП –выполнение цепей питания в виде навесных шин; ФЦП – установка фильтров в цепях питания; ОЗИПП – отдельная запитка ИПП.

На графе решения сплошными кружками показаны вершины, инцидентные дочерним И-вершинам, т.е. тем вершинам, которые соответствуют дополняющим друг друга способам уменьшения помех СУПЦП.

Например, одно из проекционных правил имеет вид: ЕСЛИ Цепи питания, общие для ИПП = Есть &

Отдельная запитка ИПП = Невозможна & Плотность монтажа = Высокая & Фильтры в СхЭПр = Не предусмотрены,

ТО СУПЦП = ФЦП & НШП.

174

Отдельная запитка ИПП Невозможна Возможна

Плотность монтажа Невысокая

Фильтры в СхПрЭ

ПредусмотНепредурены смотрены

Рис. 10.38. Граф принятия решений БЗ «Выбор способов уменьшения помех, проходящих по цепям питания»

175

Таким образом, рекомендуется для конструктора ЭС установить фильтры в цепях питания и выполнить цепи питания в виде навесных шин, причем возможно окажется достаточным применения только одного из рекомендованных методов.

Заметим, что если в СхЭПр предусмотрена установка фильтров в цепях питания, то конструктор обязан исполнить это указание и поэтому оно не отражено в графе решения.

Выбор способов уменьшения помех, проходящих по сигнальным проводникам (СУПСП) может быть представлен в виде графа решения (рис. 10.39), где атрибут СУПСП (терминальные вершины) может принимать следующие значения:

Отсут – отсутствует; ЭкСл – экранирующие слои в МПП;

УмДП – уменьшение длины проводников; УмШП – уменьшение ширины проводников; УвЗа – увеличение зазора между проводниками;

НепП – обеспечение непараллельного исполнения проводников; Фильтр – установка фильтров в общих сигнальных проводниках ИПП; ЭкПр – экранирование проводников.

Для уменьшения искажения сигналов, обусловленных собственными RLC-параметрами, применяют уменьшение длины линий, непараллельное исполнение линий, увеличение зазора между линиями. Если линия оказывается электрически длинной, то выполняют согласование волнового сопротивления линии с нагрузкой.

Контрольные вопросы

1.Назовите источники и приемники помех ЭС и виды паразитных связей.

2.Условия возникновения электрического, магнитного и электромагнитного полей.

3.Принципы действия и конструкции электростатических экранов.

4.Магнитные и электромагнитные экраны. Их принципы действия и разновидности конструкций.

5.От чего зависит эффективность электромагнитного экрана? Как ее обеспечить на различных частотах с минимальной толщиной стенок экрана?

6.Нарисуйте эквивалентную схему паразитной связи между элементами в секционированном корпусе-экране ЭС и объясните предполагаемые методы уменьшения паразитной связи.

176

7.Почему многослойный экран эффективнее однослойного экрана, толщина стенок которого равна сумме толщин экранирующих слоев многослойного экрана?

8.За счет чего обеспечивается эффективность экранирования проводов в ЭС?

9.Достоинства и недостатки экранирования катушек индуктивности и

контуров, рекомендации конструкторских решений электромагнитных экранов для этих элементов.

10.Какие паразитные параметры и связи печатного и навесного монтажа имеют место в ЭС?

11.Как уменьшить время задержки сигнала и его искажение в линии связи?

12.Как оценить коэффициенты передачи помехи с провода на провод при емкостной и взаимоиндуктивной связи. Конструктивные методы уменьшения этих связей.

13.Кондуктивные паразитные связи между модулями ЭС через цепи питания, основные рекомендации по исполнению цепей питания в ячейках и между ячейками ЭС.

14.Устойчивость усилителей ЭС, рекомендации по исполнению печатного монтажа их входных и выходных цепей, а также компоновки многокаскадных усилителей.

15.Фильтрация напряжений помехи в проводах, принципы построения фильтров.

16.Разновидности конструкций фильтров и основные требования к их компоновке.

17.Основные виды ионизирующих излучений и их влияние на ЭС. 18.Методы защиты ЭС от ионизирующих излучений.

178