Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электромагнитной совместимости. Учебно-методическое пособие
.pdf
эквивалентной базы, способы ее применения, расположение в системе,
возможность применения экранирования или иных технических подходов к
обеспечению ЭМС. При выполнении технического задания при разработке РЭС
зачастую инженер-конструктор вынужден применять менее подходящие ЭРЭ.
Так при проектировании РЭС необходимо находить баланс между стоимостью,
весом, качеством и габаритными размерами.
На современном этапе решения задач обеспечения ЭМС выделяют четыре
укрупненных уровня: межсистемный уровень ЭМС − решение задач ЭМС
осуществляется в рамках нескольких радиоэлектронных комплексов;
внутрисистемный уровень – ЭМС выполняется для одного радиоэлектронного
комплекса; внутриаппаратурный уровень – осуществляется обеспечение ЭМС
для нескольких печатных модулей, а именно электромагнитные и
кондуктивные связи между ними и входящие в них ЭРЭ; внутрикомпонентный
уровень ЭМС – решение задач ЭМС осуществляется во внутренней компоновке
микроэлектронных устройств, то есть для устройств типа «система в корпусе» и
«система на кристалле».
Для обеспечения ЭМС на внутриаппаратурном уровне, а именно для
разработки РЭС высокого и сверхвысокого быстродействия необходимо решать
задачи с обеспечением минимальной задержки распространения сигнала в
информационных проводниках и цепях синхронизации и управления. Для
решения данной задачи необходимо определить ряд факторов. Отражение от
неоднородностей, распределенных по длине линии, а так же отражения от
несогласованных нагрузок – все это результат искажения сигнала в линиях
связи. Для решения данного типа задач были созданы специальные САПР, так
как данные исследования в общем случае производить затруднительно.
Для обеспечения ЭМС на внутриаппаратурном уровне были разработаны
технические средства с ручным управлением. Такие разработки спустя
несколько лет стали неэффективны из-за своей трудоемкости, а так же потерей
времени при разработке тестового образца РЭС, который в большинстве
случаев после прохождения сертификации необходимо дорабатывать, что так
же за собой влечет и экономические потери.
Позже появились аппаратно-программные комплексы
автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов, что повлияло
на работу метрологического оборудования, которое так же необходимо было
совершенствовать для решения задач в области ЭМС. Так же была разработана
необходимая документация для решения задач ЭМС на всех стадиях
проектировки РЭС.
Так же существуют эксперты, которые по знаниям о ЭРЭ оценивают
ЭМС. Однако для современной разработки РЭС эти знания не являются
актуальными и востребованными, так как количество ЭРЭ растет, а так же
усложняется процесс их разработки.
Для проведения качественного и быстрого анализа ближнего поля
конструкций РЭС необходимо использовать комплекс методических и
программных средств, так как только это может повысить качество
разрабатываемого устройства и повысить конкурентоспособность изделий.
11
1.3. Технические решения для сбора и анализа данных
об электромагнитной совместимости
Основным способом для оценки ближнего электромагнитного поля
является способ с использованием безэховой камеры. Данная установка
предназначена для тестирования РЭС вместе с измерительной, аналитической
аппаратурой.
Одним из эффективных параметров безэховой камеры является уровень
отражения, который достигается путем размещения печатного модуля (ПМ)
внутри камеры, от стенок поля на 25-75 дБ меньше напряженности текущего
поля, созданного прямым лучом от эпицентра излучения. Для получения
суммарного уровня отражения необходимо соотнести сигнал, отраженный в
камере тех же размеров, и параметры без радиопоглощающих материалов.
Рис. 1.3. Внутренние стенки безэховой камеры
При всех достоинствах безэховой камеры при оценке ЭМИ от ПМ, все же
есть большой недостаток – его стоимость. Все же для анализа ближнего поля
конструкций ПМ необходим другой способ, который будет отличаться своей
доступностью и быстротой измерения при сохранении полноты измеренных
данных [5].
Для анализа ЭМП конструкций ПМ в ближней зоне на
внутриаппаратурном уровне ЭМС не важно где проводилось измерение – в
лабораторных условиях или же в безэховой камере, так как напряженность поля
в данном случае не зависит от условий. В свою очередь, анализ конструкций
ПМ в ближней зоне позволяет обеспечивать своевременное обнаружение
критических мест в РЭС для его дальнейшей отправки на доработку, не неся
серьезные экономические потери.
Так же, градиентные карты напряженности от ПМ можно получить с
помощью анализатора спектра, к которому будет подключен пробник
магнитной или электрической составляющей, который и будет являться
чувствительным элементом. Данный способ не автоматизирован и считается
12
ручным. Его главный недостаток – неточные полученные данные, так как
пробник, находящийся в руке инженера, не постоянен в своем положении над
тестируемым объектом.
Существуют так же более современные технические средства для оценки
ЭМС на внутриаппаратурном уровне. Например, сканеры ближнего
электромагнитного поля. В данных сканерах осуществляются три вида
сканирования ПМ:
а) планарный, показанный на рис. 1.4; перемещение пробника
происходит вдоль осей x и y, строя градиентную карту напряженности
ближнего поля в «полупространстве»;
Рис. 1.4. Планарный вид сканирования
б) цилиндрический, продемонстрированный на рис. 1.5 – печатный
модуль вращается вокруг своей оси, а измерение происходит по оси z.
Рис. 1.5. Цилиндрический вид сканирования
в) сферический, представленный на рис. 1.6, − создает более точную
картину распространения ЭМИ от ПМ в пространстве и представляет собой
движение датчика вокруг тестируемого объекта при его вращении вокруг своей
оси.
13
Рис. 1.6. Сферический вид сканирования
При проектировании и разработке РЭС, необходимо учитывать
требования ЭМС на каждом этапе (разработка электрической схемы
принципиальной, трассировка, компоновка, прохождение сертификации и
выпуск тестового РЭС). Для экономии времени и фонда денежных средств на
реализацию РЭС необходимо на ранних стадиях проектирования учитывать
требования и нормы в области ЭМС.
Для соблюдения требований ЭМС на внутриаппаратурном уровне
необходимо уделять внимание на следующие показатели: паразитные связи
между проводниками, помехи в цепях питания, помехи в заземлении,
восприимчивость к внешним помехам.
Построение карт напряженности РЭС в ближней зоне позволяет
проводить автоматизированную адаптацию для конкретного конструктивного
исполнения. Инженер-конструктор сможет отследить изменения в ЭМО при
изменении выбора элементной базы, конструктивного исполнения, разного
разрешения функциональных узлов, изменения топологии всего РЭС. Так же
разработчику открывается возможность оптимального выбора
технологического способа изготовления готовой продукции при использовании
сканеров ближнего электромагнитного поля.
На практике для ускорения процесса анализа ближнего поля конструкций
ПМ необходимо применять подходы, в которых для описания используют
эквивалентные магнитные или электрические токи. В таком случае, источник
излучения заменяется эквивалентными магнитными или электрическими
токами, протекающими в виртуальной плоскости, совпадающей со
сканируемой поверхностью ближнего поля. Для связи ближнего поля с
эквивалентными токами существуют уравнения электрического поля. Однако
эквивалентные токи могут быть расположены только с одной стороны ПМ.
Перспективным подходом является эквивалентное моделирование
анализируемого объекта через набор окружающих его диполей, найденных из
глобальных оптимизационных методик. Такой подход позволяет точно
прогнозировать поля от объекта в ближней зоне.
14
1.4. Существующие проблемы с электромагнитными помехами
Существует три общих замечания по решению проблем
электромагнитных помех в промышленной электронике.
Во-первых, промышленная среда сурова. Основными угрозами
электромагнитных помех являются перебои в подаче электроэнергии,
радиочастотные помехи и электростатические разряды. Кроме того, схемы
аналоговых датчиков часто сталкиваются с проблемами «контура заземления»
частотой 50/60 Гц. Промышленная электроника нуждается в большем внимании
к ЭМС, чем большинство коммерческих электронных устройств.
Во-вторых, электроника часто играет второстепенную роль в
электронных системах. В отличие от компьютерной системы, где электроника
является основной технологией, промышленная электроника часто
используется для поддержки другой технологии, такой как химические,
механические или технологические функции. Это приводит к проблемам с
ЭМС при интеграции электроники с неэлектронными технологиями.
В-третьих, правила и предписания по электромагнитной совместимости
наконец-то догоняют промышленную электронику. В течение многих лет
промышленная электроника не попадала под действие обязательных правил по
ЭМС, поэтому, если не возникало реальной проблемы, ЭМС часто
игнорировалась.
Существует три аспекта проблемы электромагнитной совместимости:
излучение, восприимчивость (также известная как невосприимчивость) и
самосовместимость [6]. Излучение происходит внутри оборудования и может
вывести из строя другое находящееся поблизости оборудование. С другой
стороны, внешняя энергия может вывести оборудование из строя, что приведет
к восприимчивости (или отсутствию невосприимчивости). Наконец, внутренняя
энергия системы может создавать помехи другим внутренним цепям, что
приводит к проблеме самосовместимости.
15
2. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
СОВМЕСТИМОСТИ
Большинство промышленных проблем с ЭМС относятся к одной из
четырех ключевых областей: излучение, перебои в подаче электроэнергии,
радиочастотные помехи и электростатические разряды. В прошлом
промышленные системы обычно были связаны только с перебоями в подаче
электроэнергии. Сегодня необходимо учитывать все четыре угрозы.
2.1. Излучение
Излучение относится к электрической энергии, вырабатываемой внутри
оборудования, которое взаимодействует с другим оборудованием. Главной
причиной этой угрозы является глушение близлежащих телевизионных
приемников, что является основой для обязательных правил по излучению
данной проблемы. Однако проблемы с излучением между промышленными
электронными системами встречаются редко. Возможно создавать помехи
любому другому оборудованию, находящемуся поблизости, большинство
промышленных электронных устройств генерируют лишь незначительные
количества проводимых и излучаемых помех, что значительно ниже пороговых
значений для цифровых или аналоговых схем.
Излучение лучше всего устранять на стадии проектирования
оборудования или на предтопологическом уровне. Меры по устранению
излучения включают методы проектирования печатных плат, высокочастотную
фильтрацию на интерфейсах питания и сигнала, экранированные кабелей и
корпуса. Исправления в полевых условиях обычно ограничиваются
экранированными кабелями или корпусами, дополнительными фильтрами и
ферритовыми зажимами на кабелях.
2.2. Нарушения электроснабжения
Перебои в подаче электроэнергии могут принимать различные формы, от
кратковременных переходных процессов до длительных провалов, скачков
напряжения или полных отключений электроэнергии. Тремя наиболее
серьезными угрозами для промышленного контроля являются переходные
процессы, перепады напряжения и перебои в подаче электроэнергии.
Случайные токи частотой 50/60 Гц также могут вызывать проблемы с
чувствительными аналоговыми цепями, особенно из-за контуров заземления
(будут рассмотрены позже). Другие помехи, такие как колебания частоты или
формы сигнала, часто оказывают незначительное влияние на электронные
системы.
Перебои в подаче электроэнергии очень распространены в
промышленных условиях. В результате большинство промышленных систем
довольно устойчивы к этой угрозе, по крайней мере, на низких частотах.
16
Высокочастотные угрозы, такие как быстрые переходные процессы или
радиочастотные помехи на линиях питания, все еще могут вызывать проблемы.
Большинство перебоев в подаче электроэнергии вызваны находящимся
поблизости оборудованием, а не внешними источниками. Одним из важных
исключений является молния, которая может привести к некоторым
неприятным скачкам напряжения и тока. Решения для устранения перебоев в
подаче электроэнергии включают заземление, силовые фильтры, средства
защиты от переходных процессов и, в крайних случаях, системы
бесперебойного питания.
2.3. Радиочастотные помехи
Радиочастотные помехи имеют дело с угрозами в радиочастотном
диапазоне. Радиочастотные помехи довольно распространены в промышленных
условиях и, вероятно, будет ухудшаться с распространением портативных
радиоприемников и сотовых телефонов. Ожидается, что беспроводные
локальные сети также создадут некоторые интересные проблемы с
электромагнитными помехами. Были случаи, когда портативные
радиоприемники были запрещены к использованию из-за повторяющихся
проблем с электромагнитными помехами в промышленной электронике.
Оказывается, что портативное радио поблизости – это гораздо большая
ценность, чем крупная коммерческая радиостанция, расположенная в
нескольких километрах от вас. Ключевым показателем является напряженность
электрического поля, измеряемая в «вольтах/метр». Это зависит как от
мощности передачи, так и от расстояния до антенны и может быть быстро
предсказано по формуле:
E
= 5.5
PA/d , (2.1)
где P – мощность передатчика в ваттах, A – коэффициент усиления
антенны и d – расстояние от антенны в метрах.
Например, электрическое поле от радиоприемника мощностью 1 Вт с
антенной с нулевым коэффициентом усиления на расстоянии 1 м составляет
около 5 В/м, в то время как электрическое поле от вещательной станции
мощностью 10 000 Вт на расстоянии 1 км составляет около 0,5 В/м. Поскольку
незащищенное оборудование может выйти из строя в диапазоне от 0,1 до 1 В/м,
проблемы могут возникать и действительно возникают. Установленные
требования «для тяжелой промышленности» ограничения в 10 В/м явно
направлены на защиту от находящегося поблизости портативного
радиоприемника.
Решения проблем радиочастотных помех включают высокочастотную
фильтрацию на силовых и сигнальных кабелях, экранированных кабелях и
экранированных корпусах. Аналоговые схемы особенно уязвимы к
17
радиочастотным помехам, поэтому они часто нуждаются в дополнительной
защите. Так же существует запрет радиопередатчиков в непосредственной
близости. Часто для решения проблемы достаточно соблюдать дистанцию от 3
до 10 м.
2.4. Электростатический разряд
Электростатический разряд относится к внезапному разряду, который
может произойти после постепенного накопления электрического заряда.
Электростатический разряд чаще всего ассоциируется с людьми
(прикосновение к элементам управления или клавиатурам), но
электростатический разряд также может быть вызван внутренним
искрообразованием из-за перемещения бумаги, пластика и т.д.
Накопление статического электричества может занять много времени
(секунды или даже минуты), разряд происходит почти мгновенно (наносекунды
или меньше). Более того, виной всему внезапный ток, а не напряжение. Эффект
немного похож на прорыв плотины — ток электростатического разряда
подобен воде, стекающей с горы и разрушающей все на своем пути. К счастью,
текущий всплеск длится не слишком долго, поэтому уровень энергии невелик.
Однако они достаточно высоки, чтобы повредить или вывести из строя
электронные устройства.
Чрезвычайно быстрый разряд приводит к получению высоких частот
далеко в сверхвысокочастотном диапазоне. При 1 нс переходная полоса
пропускания составляет более 300 МГц. В результате не требуется «прямого
попадания электростатического разряда», чтобы вызвать проблему.
Электростатические разряды на расстоянии 5-10 м не являются редкостью из-за
интенсивных электромагнитных полей, связанных с электростатическим
разрядом. Эти проблемы особенно коварны, поскольку электростатический
разряд может происходить на другом элементе оборудования [7].
Решения проблем электростатического разряда включают защиту от
переходных процессов, высокочастотную фильтрацию, экранирование кабеля и
корпуса. Заземление является очень важным фактором защиты от
электростатического разряда, но оно должно быть рассчитано на высокие
частоты. Поскольку во многих случаях электростатический разряд вызывает
проблемы «сброса», полезно уделять дополнительное внимание схемам сброса
микропроцессора.
18
3. ИСТОЧНИКИ И РЕЦЕПТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
СОВМЕСТИМОСТИ
Распространенной проблемой электромагнитного излучения является
сбор и систематизация данных. Это особенно важно при устранении неполадок
с электромагнитными помехами в полевых условиях. Модель «источник–путь–
рецептор» является популярной. Проще говоря, для любой проблемы
электромагнитных помех необходимы три элемента:
- должен быть источник энергии;
- должен быть рецептор, который расстроен этой энергией;
- должен существовать путь связи между источником и приемником.
Все три элемента должны существовать одновременно, и если какой-либо
из них отсутствует, проблемы с электромагнитными помехами нет. Иногда
можно идентифицировать все три, а в других случаях можно только
догадываться. Хотя это может показаться простым, это полезный инструмент
для организации информации об электромагнитных помехах.
Рис. 3.1 иллюстрирует эту модель, показывая типичные источники, пути
и рецепторы. Существует несколько возможных источников: излучения от
цифровых цепей, электростатическое разряжение, радиочастотные помехи от
коммуникационных передатчиков и перебои в подаче электроэнергии (включая
молнии). Также было предложено несколько различных рецепторов: приемники
связи, аналоговая электроника и цифровая электроника. Существует два типа
путей: излучаемый и проводимый. В обоих случаях цель состоит в том, чтобы
блокировать попадание нежелательной энергии на рецептор, что достигается с
помощью экранирования (для излучаемого пути) и фильтрации (для
проводимого пути).
3.1. Заземление
Заземление, вероятно, является наиболее важным, но наименее
изученным аспектом контроля электромагнитных помех. Каждая цепь
подключена к какому-то «заземлению», поэтому на каждую цепь влияют
проблемы с заземлением от электромагнитных помех.
19
Тип
Частота
Стандартные
Стандартная
Мощность
50/60 Гц
10–1 000 A
Секунды или
минуты
Молния
300 кГц
100 000 A
Десятки мС
Электростатический
разряд
300 МГц
10–50 A
Десятки нС
Электромагнитное
излучение
Постоянный ток
– дневной свет
мА – А
Наносекунды - года
Любая проблема с помехами может быть
разбита на
Источники помех
– Микропроцессоры
– Видеодрайверы
– Электростатические разряды
– Передатчики
– Радиочастотные генераторы
– Перебои в подаче электроэнергии
– Молния
– Цифровые
– Микропроцессоры
– Обнуление
– Другая логика
– Низкоуровневый аналоговый
– Приемники
Рис. 3.1. Модель источник–путь–рецептор для оценки проблем
с электромагнитными помехами
Для возникновения проблемы с электромагнитными помехами должны
быть необходимы все три элемента.
Заземление может работать в широких частотных диапазонах
Рецепторы
Пути, соединяющие
источник с рецептором
– Излучаемый
– Электромагнитные поля
– Перекрестные помехи
– Емкостные
– Индуктивные
– Проводимые
– Сигнал
– Мощность
– Заземление
Таблица 3.1
двусмысленность этого термина. Наше любимое определение – одно из
популярных в сообществе электромагнитной совместимости, в котором
говорится, что заземление – это просто обратный путь для протекания тока. Эти
токи могут быть преднамеренными или непреднамеренными.
Непреднамеренные токи часто называют «скрытыми заземлениями» и могут
вызывать многие виды проблем с электромагнитными помехами. «Физическое»
уровни тока
продолжительность
Основной проблемой, связанной с предметом обоснования, является
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]