Содержание к диссертации
Введение
1. Пути повышения эффективности разработки конструкций рэс на основе комплексных методов оптимального проектирования с учетом ЭМС и ПУ 24
1.1 Планирование и развитие путей повышения эффективности обеспечения требований ЭМС и ПУ при проектировании конструкций РЭС 24
1.2 Основные принципы построения процесса оптимального конструирования РЭС с учетом ЭМС и ПУ 27
1.3 Концепция комплексного подхода при сквозном проектировании конструкций РЭС с учетом требований ЭМС и ПУ 32
1.4 Основные принципы применения программных средств в задачах обеспечения ЭМС и ПУ конструкций РЭС 43
1.5 Цели и задачи исследования 56
2. Структура, состав и содержание методов обеспечения внутриаппаратурной ЭМС и ПУ 59
2.1 Методы организационно-технического планирования обеспечения требований ЭМС и ПУ 59
2.1.1 Задачи ЭМС-планирования и ЭМС-менеджмента 60
2.1.2 Разработка программы мероприятий по обеспечению
требований ЭМС и ПУ 62
2.1.3 Планирование проведения ЭМС-тестирования РЭС . 67
2.2 Схемотехнические методы обеспечения ЭМС и ПУ 68
2.3 Топологические методы обеспечения ЭМС и ПУ 73
2.4 Конструкторско-технологические методы обеспечения ЭМС и ПУ 84
2.5 Основные выводы главы 89
3. Математическое обеспечение анализа электромагнитных процессов в конструкциях РЭС . 93
3.1 Комплексная модель электромагнитных процессов в конструкциях РЭС и понятие электромагнитной топологии 93
3.1.1 Топологическая сеть и уравнение BLT 99
3.1.2 Описание ЭМТ через уравнение BLT1 102
3.1.3 Описание ЭМТ через уравнение BLT2 105
3.2 Моделирование электромагнитных процессов на печатных платах с учетом топологического размещения проводников и компонентов 108
3.2.1 Математические модели описания помех возникающих в шинах питания 108
3.2.2 Математические модели анализа помехоустойчивости печатных проводников 114
3.2.3 Математические модели оценки эмиссии ЭМИ печатными проводниками 120
3.3 Моделирование конструкций электромагнитных экранов с учетом конструктивных неоднородностей 132
3.3.1 Математические модели идеальных электромагнитных экранов 133
3.3.2 Математические модели электромагнитных экранов с учетом конструктивных неоднородностей 136
3.3.3 Математическое обеспечение структурного синтеза и параметрической оптимизации конструкций электромагнитных экранов 139
3.4 Основные выводы главы 144
4. Метод топологической верификации обеспечения требований эмс и пу на печатной плате 146
4.1 Методика сетевой классификации соединений на ПП . 152
4.1.1 Процедура идентификации питающих и сигнальных цепей 156
4.1.2 Процедура определения типа цепи I/O-non I/O . 159
4.1.3 Процедура определения питающего напряжения цепи . 160
4.1.4 Процедура определения степени использования цепи 161
4.1.5 Процедура определения частотного диапазона цепи 162
4.1.6 Процедура определения запаса помехоустойчивости цепи 164
4.1.7 Процедура определения степени излучения и восприимчивости цепи 165
4.1.8 Процедура определения типа цепи A/D 166
4.1.9 Процедура определения частоты синхронизации цепи 167
4.1.10 Процедура определения параметров сигнала в цепи 169
4.1.11 Процедура определения характеристик переходных процессов в цепи 170
4.1.12 Процедура назначения цепи возвратного сигнала 172
4.1.13 Процедура определения возвратного пути для сегментов цепи 173
4.2 Методика определения частот и частотных диапазонов присутствующих на ПП 175
4.3 Методика оценки помех в шинах питания ПП 176
4.3.1 Процедура идентификации развязывающих конденсаторов 177
4.3.2 Процедура определения индуктивности соединений 178
4.3.3 Процедура оценки переходных процессов . 179
4.3.4 Процедура определения тока гармоник 179
4.4 Методика анализа помехоустойчивости ПП . 180
4.4.1 Процедура оценки устойчивости к перекрестным помехам . 181
4.4.2 Процедура оценки устойчивости к шуму питающих цепей . 182
4.4.3 Процедура оценки устойчивости к ЭСР . 183
4.4.4 Процедура оценки устойчивости к магнитному полю 184
4.5 Методика анализа эмиссии ЭМИ от ПП 185
4.5.1 Процедура оценки эмиссии дифференциальных помех от ПП.. 186
4.5.2 Процедура оценки эмиссии вольтзависимых помех от экранированной ПП 187
4.5.3 Процедура оценки эмиссии вольтзависимых помех от неэкранированной ПП 188
4.5.4 Процедура оценки эмиссии синфазных токзависимых помех... 190
4.5.5 Процедура определения синфазного напряжения в аналитической сетке 193
4.5.6 Процедура оценки эмиссии помех от подключенных кабелей I/O 194
4.5.7 Процедура оценки эмиссии от питающих шин 196
4.6 Основные выводы главы 197
5. Методы оптимизации электромагнитных процессов в РЭС на этапах конструкторского и технологического проектирования 199
5.1 Метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов 199
5.1.1 Процедура определения целесообразности применения электромагнитных экранов для обеспечения требований ЭМС и ПУ 199
5.1.2 Процедура синтеза оптимального конструктивного исполнения, технологии изготовления и выбора материала 202
5.1.3 Процедура синтеза и оптимизации вентиляционных отверстий 208
5.1.4 Процедура синтеза и оптимизации отверстий для дисплеев и индикаторов 215
5.1.5 Процедура синтеза и оптимизации отверстий для разъемов и вводов проводников 217
5.1.6 Процедура оптимизации электромагнитных экранов и экранирующих корпусов с учетом швов, щелей и соединений 219
5.1.7 Процедура синтеза и оптимизации разъемных и открывающихся соединений 221
5.2 Методика оптимальной компоновки конструкций РЭС на завершающем этапе проектирования 224
5.3 Методика сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля 231
5.4 Основные выводы главы 235
6. Практическое применение предложенных структур, методов и моделей оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом эмс и ПУ 236
6.1 Применение метода топологической верификации обеспечения требований ЭМС и помехоустойчивости на ПП 236
6.2 Применение метода оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов 240
6.3 Применение методики сканирования электромагнитного поля с варьируемым шагом перемещения датчика поля 249
6.4 Применение методики оптимальной компоновки конструкций РЭС на завершающем этапе проектирования 253
6.5 Результаты, полученные при решении производственных задач 259
6.6 Основные выводы главы 262
Заключение 265
Список сокращений и условных обозначений 268
Список литературы
- Основные принципы построения процесса оптимального конструирования РЭС с учетом ЭМС и ПУ
- Схемотехнические методы обеспечения ЭМС и ПУ
- Математические модели электромагнитных экранов с учетом конструктивных неоднородностей
- Процедура определения питающего напряжения цепи
Введение к работе
Актуальность темы исследования. ГОСТ Р 50397-2011 определяет электромагнитную совместимость (ЭМС) технических средств как способность технических средств функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. 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.
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 решениями. В части вопросов обеспечения требований ЭМС и ПУ данная проблема стоит особенно остро, учитывая их прямую зависимость от быстродействия и сложности разрабатываемых РЭС, увеличения плотности компоновки и степени интеграции ИМС, применения «систем в корпусе» и «систем на кристалле».
Принято выделять следующие уровни ЭМС: межсистемный, внутрисистемный и внутриаппаратурный. 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 РЭС 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 РЭС. Ситуация усугубляется недостаточно ясным распределением сфер деятельности специалистов, участвующих на схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах разработки изделия.
Таким образом, актуальность темы заключается в необходимости совершенствования существующих и разработки новых научных методов и технических основ оптимального проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, на основе сквозного подхода к проектированию, включающего проведение организационно-технических мероприятий, анализ электромагнитных характеристик и синтез оптимальных технических решений на схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах разработки.
Степень разработанности темы можно проследить по научным публикациям в соответствующей области. Так, наибольший вклад в теорию и практику обеспечения внутриаппаратурной ЭМС внесли отечественные исследователи и специалисты: Болотов Е.А., Винников В.В., Волин М.Л., Кармашев В.С., Кечиев Л.Н., Князев А.Д., Кравченко В.И., Летунова Н.И., Петров Б.В., Рогинский В.Ю., Седельников Ю.Е., Чермошенцев С.Ф., Шапиро Д.Н; среди зарубежных ученых мировую известность получили работы Colin Tong, Henry W. Ott, Karl-Heinz Gonschorek, David A. Weston, Mark I. Montrose, Edward M. Nakauchi, Tim Williams, Ralph Morrison, Clayton R. Paul, Donald R. J. White, Ernst Habiger, Adolf J. Schwab, John R. Barnes. Благодаря фундаментальному значению работ данных авторов многие предложенные идеи и решения продолжают применяться в настоящее время. Однако учитывая серьезный технический и технологический прорыв в области радиоэлектроники и микроэлектроники, для обеспечения требуемой эффективности проектирования конструкций РЭС с учетом критериев ЭМС и ПУ необходимы новые подходы и методы, учитывающие данную специфику.
Анализируя научные и технические литературные источники по проблемам внутриаппаратурной ЭМС и ПУ, опубликованные в последние годы, можно отметить решение узконаправленных задач на определенных иерархических уровнях, отсутствие сведений о возможности их интеграции в полный жизненный цикл РЭС, ориентированность на прикладные вопросы и недостаточную проработку новых теоретических положений. Как наиболее актуальную можно отметить работу Кечиева Л.Н. «Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры», написанную в 2007 году, но рассматривающую вопросы, касающиеся в основном ЭМС печатных плат
(ПП) цифровых устройств
В связи с вышеизложенным степень разработанности темы представляется недостаточной, что побуждает к дальнейшему развитию научных основ внутриаппаратурной ЭМС, разработке методологии оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ, теоретическому обоснованию структуры, состава и содержания соответствующих методов обеспечения ЭМС, а также принципов их практической реализации.
Работа выполнялась в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» – «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка научных и технических основ проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, реализующих концепцию сквозного проектирования, на основе комплексного анализа электромагнитных процессов и синтеза оптимальных технических решений на организационно-техническом, схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах, что позволяет решать теоретические и прикладные задачи повышения качества и расширения функциональных возможностей при создании высокоэффективных радиоэлектронных средств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
анализ современного состояния проблемы обеспечения ЭМС и ПУ при проектировании конструкции РЭС, существующих подходов к решению возникающих задач и дальнейших тенденций при разработке перспективных высокоэффективных РЭС;
поиск путей повышения эффективности разработки конструкций РЭС на основе комплексных методов оптимального проектирования с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ;
разработка комплексной структуры интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы сквозного процесса разработки и жизненного цикла РЭС;
классификация основных сложностей, возникающих при обеспечении требований внутриаппаратурной ЭМС и мероприятий по их решению, а также формирование структуры, состава и содержания соответствующих методов решения;
развитие концепции электромагнитной топологии и способов ее представления для упрощения комплексной проблемы ЭМС путем сведения к частным задачам с минимальным взаимовлиянием и последующим анализом наиболее эффективным методом;
разработка метода оценки обеспечения требований ЭМС и ПУ на иерархическом уровне печатной платы и соответствующего математического аппарата для анализа электромагнитных процессов между структурными
элементами печатной платы;
развитие методов проектирования электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС, учитывающих наиболее распространенные конструктивные неоднородности и их адаптация в сквозной процесс разработки конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ;
совершенствование методик оптимизации внутренней компоновки модулей и блоков в конструкциях РЭС с учетом критериев обеспечения требований ЭМС и ПУ, а также формирование комплекса соответствующих математических моделей;
практическое применение разработанных структур, методов и моделей при решении проектных и производственных задач.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
концепция внутрикомпонентного уровня обеспечения ЭМС, рассматриваемая как новая научная проблема и являющаяся логическим продолжением существующей классификации - межсистемного, внутрисистемного и внутриаппаратурного уровней;
структура и состав организационно-технических, схемотехнических, топологических, конструкторско-технологических методов обеспечения требований ЭМС и ПУ при проектировании конструкций РЭС, отличающихся объединением в единую комплексную структуру, позволяющую системно решать поставленные задачи и выбирать наиболее эффективные технические решения;
комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы сквозного процесса разработки и жизненного цикла РЭС, позволяющая проводить своевременный анализ выполнения требований НТД и синтез оптимальных технических решений;
концепция электромагнитной топологии, основанная на разделении сложной системы на связанные подсистемы, отличающаяся универсальностью применения, наглядным представлением связей между подсистемами посредством топологической схемы и графов взаимодействия, а также использованием принципов гибридизации, базы данных и параметризации;
комплекс математических моделей оценки электромагнитных процессов между проводниками и компонентами на печатной плате, отличающийся простой аналитической формой, адаптацией под быстродействующие многослойные печатные платы, учитывающий наличие или отсутствие экранирующего корпуса;
метод топологической верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на печатной плате, отличающийся простотой интеграции в существующий процесс сквозного проектирования РЭС на основе распространенных САПР печатных плат;
комплекс математических моделей параметрической оптимизации конструкций электромагнитных экранов, отличающийся бикритериальной дискретной постановкой задачи оптимизации и возможностью ее решения методом прямого перебора;
метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС, отличающийся наличием процедур синтеза, учитывающих влияние различных конструктивных и технологических факторов;
методика оптимальной компоновки конструкций РЭС с учетом ЭМС и ПУ на завершающем этапе проектирования, отличающаяся применением метода планирования эксперимента совместно с постановкой отсеивающего эксперимента позволяющим уменьшить размерность решаемой задачи, а также определением экстремума методом крутого восхождения, позволяющим ускорить нахождение оптимального решения.
Теоретическая значимость работы заключается в постановке новой научной проблемы внутрикомпонентного уровня обеспечения ЭМС, введении новых научных понятий и теоретических подходов, разработке комплекса математических моделей и алгоритмов. Теоретическая значимость подтверждается использованием результатов диссертации при выполнении следующих научных работ: ГБ НИР 2010.17 «Разработка и совершенствование методов автоматизированного конструкторского и технологического проектирования современных радиоэлектронных средств», ГБ НИР 2013.17 «Исследование и разработка методов оптимального проектирования устройств и комплексов радиоэлектронных средств». Теоретические основы проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ положены в основу курсов, читаемых в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при обучении студентов направлений подготовки 211000 «Конструирование и технология электронных средств» и 200100 «Приборостроение».
Практическая значимость работы заключается в повышении надежности и качества разрабатываемых РЭС, расширении их функциональных и эксплуатационных возможностей при сокращении себестоимости и сроков разработки. Практическая значимость подтверждается внедрением результатов работы при решении проектных и производственных задач на ведущих предприятиях радиоэлектронной отрасли: ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), ОАО «ВЦКБ «Полюс» (г. Воронеж), ОАО «НВП «ПРОТЕК» (г. Воронеж), ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж). На предложенный в работе способ и устройство сканирования ближнего электромагнитного поля с варьируемым шагом датчика подана заявка №2012124407/20 (037349) на выдачу патента на изобретение.
Методология и методы исследования основываются на принципах системного подхода и электродинамики, теории электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, теории цепей, методах математической физики, вычислительной математики, математического программирования и оптимизации, математического моделирования и экспериментального исследования, теории автоматизированного проектирования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Ослабление электромагнитного излучения от изделия и повышение его помехоустойчивости следует начинать с внутрикомпонентного уровня
обеспечения ЭМС, имеющего характерные особенности в соотношении длин волн сигналов к геометрическим размерам конструкции, а также в части применяемых технических решений и потому требующего разработки соответствующей концепции в виде подходов, методов и способов.
-
Обеспечение требований ЭМС и ПУ должно целенаправленно достигаться на каждом этапе жизненного цикла изделия путем представления конечного результата каждым из разработчиков, выбора оптимальных технических решений и прогнозирования возможных альтернативных путей. Подобная комплексная структура интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы разработки РЭС позволяет минимизировать вероятность непредвиденных временных задержек и стоимостных отклонений.
-
Для синтеза оптимального технического решения, обеспечивающего выполнение требований ЭМС и ПУ на определенном этапе разработки РЭС, необходима формализация возникающих задач, принципов их решения и возможных способов технической реализации. Соответствующая структура и состав методов обеспечения требований ЭМС и ПУ позволяет реализовывать методики сквозного автоматизированного проектирования конструкций РЭС на различных иерархических уровнях.
4. Проведение электромагнитного анализа в конструкциях РЭС
целесообразно осуществлять путем последовательной декомпозиции сложной
системы на простейшие объемы, характеризующиеся однородной
электромагнитной обстановкой, с последующей оценкой ее величины наиболее
эффективным способом и учетом взаимовлияния между такими объемами.
Описание подобной структуры выполняется посредством электромагнитной
топологии, графически представляемой в виде топологической схемы и графов
взаимодействия.
-
Печатная плата является ключевым объектом в задачах обеспечения внутриаппаратурной ЭМС, однако не все существующие САПР ПП предлагают специализированные инструменты анализа и синтеза в части обеспечения ЭМС и ПУ. Метод топологической верификации обеспечения ЭМС и ПУ позволяет оценить степень соответствия разработанной ПП требованиям ТЗ и при необходимости сформировать рекомендации по устранению выявленных отклонений на этапе топологического проектирования.
-
Метод оптимального проектирования сложных электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС позволяет провести синтез технического решения с учетом неоднородностей, возникающих в реальных конструкциях, технологии их изготовления и дополнительных элементов.
-
Применение методики оптимальной компоновки конструкций РЭС с учетом критериев ЭМС и ПУ на завершающем этапе проектирования позволяет без дополнительных материальных затрат (в некоторых случаях с незначительными затратами) улучшить параметры ЭМС и ПУ за счет взаимной ориентации плат и их центрирования внутри конструкции; изменения местоположения отверстий и центра группы отверстий; варьирования толщины стенок корпуса и учета развязывающих фильтров на интерфейсных разъемах.
Степень достоверности результатов подтверждается применением
современных методов исследования, стандартных методик измерения электромагнитных параметров и испытаний РЭС, поверенных приборов и измерительных установок, статистической обработкой результатов исследований, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами других авторов, а также внедрением в производственную деятельность.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, конкурсах и семинарах: Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационно -телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2010-2013); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2011-2013); XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь (RLNC*2012)» (Воронеж, 2012); Международной научно-практической конференции «Техника и безопасность объектов УИС» (Воронеж, 2010, 2011, 2013); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2010-2013); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС» (Воронеж, 2011); Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ магистров, аспирантов и молодых ученых «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса» (Санкт-Петербург, 2011); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «ВГТУ» (2009-2013); научно-методических семинарах кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «ВГТУ» (2009-2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе монография «Методы обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств» (ISBN 978-5-7731-0345-5) и заявка №2012124407/20 (037349) на выдачу патента на изобретение. Основное содержание диссертации отражено в 20 публикациях в изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Общий объем публикаций – 34,6 п.л., из которых 27,1 п.л. принадлежат соискателю.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 267 страницах, 8 приложений, содержит 64 рисунка, 8 таблиц. Список литературных источников включает 281 наименование. Общий объем работы 392 страницы.
Основные принципы построения процесса оптимального конструирования РЭС с учетом ЭМС и ПУ
Степень разработанности темы можно проследить по научным публикациям в соответствующей области. Так наибольший вклад в теорию и практику обеспечения внутриаппаратурной ЭМС внесли отечественные исследователи и специалисты: Болотов Е.А., Винников В.В., Волин М.Л., Кармашев В.С., Кечиев Л.Н., Князев А.Д., Кравченко В.И., Летунова Н.И., Петров Б.В., Рогинский В.Ю., Седельников Ю.Е., Чермошенцев С.Ф., Шапиро Д.Н; среди зарубежных ученых мировую известность получили работы Colin Tong, Henry W. Ott, Karl-Heinz Gonschorek, David A. Weston, Mark I. Montrose, Edward M. Nakauchi, Tim Williams, Ralph Morrison, Clayton R. Paul, Donald R. J. White, Ernst Habiger, Adolf J. Schwab, John R. Barnes. Благодаря фундаментальному значению работ данных авторов, многие предложенные идеи и решения продолжают применяться в настоящее время. Однако, учитывая серьезный технический и технологический прорыв в области радиоэлектроники и микроэлектроники, для обеспечения требуемой эффективности проектирования конструкций РЭС с учетом критериев ЭМС и ПУ необходимы новые подходы и методы, учитывающие данную специфику.
Анализируя научные и технические литературные источники по проблемам внутриаппаратурной ЭМС и ПУ, опубликованные в последние годы [138-153], можно отметить решение узконаправленных задач на определенных иерархических уровнях, отсутствие сведений о возможности их интеграции в полный жизненный цикл РЭС, ориентированность на прикладные вопросы и недостаточной проработкой новых теоретических положений. Как наиболее актуальную можно отметить работу Кечиева Л.Н. «Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры» [137] написанную в 2007 году, но рассматривающую вопросы касающиеся, в основном, ЭМС печатных плат (ПП) цифровых устройств В связи с вышеизложенным степень разработанности темы представляется недостаточной, что побуждает к дальнейшему развитию научных основ внутриаппаратурной ЭМС, разработке методологии оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ, теоретическому обоснованию структуры, состава и содержания соответствующих методов обеспечения ЭМС, а также принципов их практической реализации.
Работа выполнялась в соответствии с одним из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» – «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка научных и технических основ проектирования конструкций радиоэлектронных средств с учетом обеспечения требований электромагнитной совместимости и помехоустойчивости, реализующих концепцию сквозного проектирования, на основе комплексного анализа электромагнитных процессов и синтеза оптимальных технических решений на организационно-техническом, схемотехническом, топологическом и конструкторско-технологическом этапах, что позволяет решать теоретические и прикладные задачи повышения качества и расширения функциональных возможностей при создании высокоэффективных радиоэлектронных средств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: анализ современного состояния проблемы обеспечения ЭМС и ПУ при проектировании конструкции РЭС, существующих подходов к решению возникающих задач и дальнейших тенденций при разработке перспективных высокоэффективных РЭС; поиск путей повышения эффективности разработки конструкций РЭС на основе комплексных методов оптимального проектирования с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ; разработка комплексной структуры интеграции методов обеспечения требований ЭМС и ПУ в ключевые этапы сквозного процесса разработки и жизненного цикла РЭС; классификация основных сложностей возникающих при обеспечении требований внутриаппаратурной ЭМС и мероприятий по их решению, а также формирование структуры, состава и содержания соответствующих методов решения; развитие концепции электромагнитной топологии и способов ее представления для упрощения комплексной проблемы ЭМС, путем сведения к частным задачам с минимальным взаимовлиянием и последующим анализом наиболее эффективным методом; разработка метода оценки обеспечения требований ЭМС и ПУ на иерархическом уровне печатной платы и соответствующего математического аппарата для анализа электромагнитных процессов между структурными элементами печатной платы; развитие методов проектирования электромагнитных экранов и экранирующих корпусов РЭС, учитывающих наиболее распространенные конструктивные неоднородности и их адаптация в сквозной процесс разработки конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ; совершенствование методик оптимизации внутренней компоновки модулей и блоков в конструкциях РЭС с учетом критериев обеспечения требований ЭМС и ПУ, а также формирование комплекса соответствующих математических моделей; практическое применение разработанных структур, методов и моделей при решении проектных и производственных задач.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: концепция внутрикомпонентного уровня обеспечения ЭМС, рассматриваемая как новая научная проблема и являющаяся логическим продолжением существующей классификации - межсистемного, внутрисистемного и внутриаппаратурного уровней;
Схемотехнические методы обеспечения ЭМС и ПУ
Учитывая постоянно увеличивающуюся сложность РЭС, стремление к их миниатюризации и увеличению плотности упаковки компонентов, реализация мер по обеспечению требований ЭМС и ПУ на заключительных этапах разработки, как это зачастую происходит при традиционной разработке РЭС, становиться менее эффективной. Как результат 70-90% новых разработок не проходят первоначальное тестирование по требованиям ЭМС и ПУ, что приводит к дорогостоящим переработкам на поздних стадиях и, как следствие, высоким убыткам из-за просрочки времени разработки, а также применения не оптимальных технических решений. Поэтому комплексное сквозное проектирование, основанное на концептуальном анализе ЭМС и ПУ, включающее моделирование электромагнитных процессов, должно использоваться с самого начала процесса разработки РЭС, для обнаружения и решения потенциальных проблем ЭМС и ПУ с наименьшими затратами.
В качестве основных путей повышения эффективности разработки конструкций РЭС на основе комплексных методов оптимального проектирования с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ можно выделить:
1. Нормативные документы и требования в области ЭМС и ПУ. Различные национальные и глобальные стандарты ограничивают уровни эмиссии и/или восприимчивости для различных изделий, а в некоторых случаях, требуют продемонстрировать устойчивость к ЭМП. Уполномоченная организация или сертифицированная испытательная лаборатория могут помочь определить какие технические требования должны быть учтены, провести соответствующие тестирования и оформить необходимый сертификат или заключения.
2. Анализ и решение проблем ЭМС и ПУ на ранних стадиях проектирования. Важно учитывать требования ЭМС и ПУ как интегрированную часть разработки электронного изделия включающего первичное тестирование, чтобы гарантировать своевременную разработку в пределах запланированного бюджета. В ряде случаев это можно сделать аналитическим решением трехмерного уравнения Максвелла, которое обеспечивает математическое представление электромагнитных взаимодействий и является эффективным инструментом на начальном проектировании. Обычно проблемными местами, на которые в первую очередь следует обратить внимание, являются объекты сложной конфигурации, такие как корпус, печатные платы, разъемы, отверстия, кабели и входные/выходные соединители в широком диапазоне частот. Математическое моделирование электромагнитных полей может давать довольно точные результаты и применимо для того, чтобы исследовать компоненты и подсистемы, например, зависимость интенсивности и частоты излучения заземленного радиатора от способа заземления, его формы, материала и т.д. Также может быть смоделирована и оценена эффективность экрана в зависимости от геометрической формы, различных размеров вентиляционных отверстий, их формы и количества, толщины материала. Моделирование электромагнитных полей используется и для оптимизации на системном уровне, вычисления эффективности экранирующего корпуса в широкой полосе частот, расчета уровней излучения в частотном диапазоне, построения трехмерных диаграмм излучения в дальнем поле, визуализации распределение потоков в Е- и Н-полях, что помогает определить положение критических точек с позиции обеспечения требований ЭМС. Типовые задачи анализа электромагнитных полей на системном уровне включают: проектирование корпусов для обеспечения максимальной эффективности экранирования, оценку распространения ЭМИ от компонентов расположенных внутри корпуса, определение наводок на провода как внутри, так и снаружи конструкции, исследование эффектов излучения от проводов. Моделирование электромагнитных полей также помогает обнаружить особые механизмы нежелательных электромагнитных взаимодействий – передача через шасси и подсистемы; излучение через отверстия, щели, швы, вентиляционные отверстия и т.п; кондуктивные помехи через кабели; наводки от радиаторов и на них от других компонентов; образование непреднамеренных волноводов, образуемых монтируемым на шасси компонентами. Таким образом, использование моделирования на ранних этапах проектирования позволяет исследовать и предсказать в первом приближении поведение электромагнитных полей и необходимость экранирования до создания опытного образца, а следовательно, оптимизировать разработку электронного изделия с точки зрения обеспечения требований ЭМС и ПУ. Современные программные комплексы моделирования позволяют разработчику оценить различные варианты проектных решений и оптимизировать конструкцию изделия по заданным критериям без необходимости создания многочисленных опытных образцов. Также важно отметить, что проектирование с учетом требований ЭМС и ПУ не может быть выполнено в отрыве от других критериев, так как конструктивные изменения удовлетворяющие требованиям ЭМС и ПУ часто воздействуют на другие аспекты проектирования, вступают с ними в противоречие (например, обеспечение теплового режима) и должно выполняться комплексно [22]. Именно поэтому желательно иметь пакет программных средств, позволяющий разработчику комплексно проанализировать влияние выбранного проектного решения на все остальные параметры [13-16, 23, 24].
Математические модели электромагнитных экранов с учетом конструктивных неоднородностей
Процедура возвращает флаг «1» или «0» в зависимости от того, найден или нет в данной питающей цепи развязывающий конденсатор и сохраняет имя идентифицированных развязывающих конденсаторов. Поиск производится во всех шинах питающих цифровые компоненты. Развязывающими считаются конденсаторы, соединяющие питающую шину и землю, с емкостью от 200пФ до 200нФ. Схема алгоритма процедуры идентификации развязывающих конденсаторов представлена на рис. А.18 (приложение А) и состоит из следующих шагов: 1. Установка флага «0». По умолчанию считается, что в цепи нет развязывающих конденсаторов. 2. Цепь цифровая? Происходит ветвление алгоритма в зависимости от того, является цепь цифровой или аналоговой. Очевидно, что для аналоговых цепей смысл данной процедуры теряется. 178 3. Создание списка конденсаторов имеющихся в цепи и выбор первого для дальнейшего анализа. 4. Вывод конденсатора подключен к земле? Развязывающим считается только конденсатор одним выводом подключенный к земле. 5. Емкость конденсатора от 200пФ до 200нФ? Развязывающим считается только конденсатор с подходящей емкостью. 6. Сохранение имени конденсатора и установка флага «1», т.к. в цепи обнаружен развязывающий конденсатор. 7. Проанализирован весь список? Шаги 4-6 повторяются для всех конденсаторов в данной цепи. 4.3.2 Процедура определения индуктивности соединений Процедура вычисляет и сохраняет последовательную индуктивность, связанную с печатными проводниками и выводами развязывающих конденсаторов. Схема алгоритма процедуры определения индуктивности соединений представлена на рис. А.19 (приложение А) и состоит из следующих шагов: 1. Определение общей длины соединений. Находятся длины подводящих печатных проводников d1 и d2 соединяющих развязывающий конденсатор со слоями питания/заземления, а для КМО и длины монтажных выводов d3 и d4 . 2. Определение ширины трассы и удаления от питающего слоя. Находится средняя ширина подводящих печатных проводников w и расстояние до ближайшего слоя h . 3. Вычисление индуктивности по математической модели представленной в главе 3 (3.17). 4. Сохранение последовательной индуктивности и передача для дальнейшего анализа.
Процедура оценивает выбросы тока при переходных процессах в питающей шине, а также время нарастания/спада фронта сигнала для каждой ИМС. Схема алгоритма процедуры оценки переходных процессов представлена на рис. А.20 (приложение А) и состоит из следующих шагов: 1. Определение типа логики для всех цифровых компонентов, подключенных к данной шине питания, в зависимости от которой назначаются типовые значения параметров. 2. Определение количества активных выходов N переключающихся в течение каждого тактового цикла. 3. Определение максимальной тактовой частоты /0 которой синхронизируются подключенные компоненты. 4. CMOS логика? Происходит ветвление алгоритма в зависимости от типа логики текущего анализируемого цифрового компонента. 5. 6. Вычисление по моделям для CMOS логики или для TTL логики параметров tx, t2, Icl, IC2. Соответствующие математические модели для вычисления представлены в главе 3 (3.21)-(3.24). 7. Сохранение и возврат найденных значений для дальнейшего анализа.
Процедура определения тока гармоник Процедура вычисляет и сохраняет спектр треугольного выброса тока. Спектр находятся путем разложения в ряд Фурье. Для каждой гармоники находится соответствующая амплитуда тока. Схема алгоритма процедуры определения тока гармоник представлена на рис. А.21 (приложение А) и состоит из следующих шагов:
Методика позволяет провести анализ ПУ ПП и состоит из набора процедур. Схема алгоритма методики анализа ПУ ПП представлена на рис. А.22 (приложение А) и состоит из следующих шагов:
1. Процедура «Устойчивость к перекрестным помехам» для цепей с атрибутом S3 (наиболее восприимчивые цепи) вычисляет уровень перекрестных помех и сравнивает с запасом помехоустойчивости. Процедура представлена отдельным алгоритмом приведенным далее.
2. Процедура «Устойчивость к шуму питающих цепей» для цепей с атрибутом S3 определяет чрезмерное влияние шумов питающих шин наводимых через компоненты или печатные проводники. Процедура представлена отдельным алгоритмом приведенным далее.
3. Процедура «Устойчивость к электростатическому разряду» диагностирует ПП на нежелательные пути токов ЭСР. Процедура представлена отдельным алгоритмом приведенным далее.
4. Процедура «Устойчивость к магнитному полю» для цепей с атрибутом S3 определяет печатные проводники, которые вероятно вызовут проблемы с устойчивостью к магнитным полям. Процедура представлена отдельным алгоритмом приведенным далее.
Процедура вычисляет напряжение шумов влияющих на цепь с атрибутом S3. Если перекрестные помехи больше чем ПУ цепи, то устанавливается соответствующий флаг и цепь с наибольшим влиянием записывается. Схема алгоритма процедуры оценки устойчивости к перекрестным помехам представлена на рис. А.23 (приложение А) и состоит из следующих шагов:
1. Разделение цепи на сегменты. Методика предполагает разделение цепи с атрибутом S3 на отдельные сегменты длиной до 20 мм, для удобства дальнейшего анализа.
2. Определение влияющих цепей. Для каждого сегмента строится влияющая зона (область, расположенная между двумя параллельными прямыми проведенными через концы сегмента). Влияющими считаются цепи с атрибутами R2 и R3 частично или полностью находящиеся во влияющей зоне.
3. Вычисление эквивалентного расстояния и длины і-ой пары. Для каждой влияющей цепи и текущего сегмента (і-ая пара), по математическим моделям приведенным в главе 3 (3.68) вычисляется эквивалентное расстояние 1ЭКВ и эквивалентная дистанция dЭКВ.
4. Вычисление взаимной индуктивности и емкости і-ой пары. Для каждой влияющей цепи и текущего сегмента (і-ая пара), по математическим моделям приведенным в главе 3 (3.63)-(3.64) вычисляется взаимная индуктивность LM и взаимная емкость См.
Процедура определения питающего напряжения цепи
ОАО «ВЦКБ «Полюс» (г. Воронеж) – обеспечено сокращение общего времени модернизации изделия «Угол-1М» на 5%, за счет: - разработки плана, включающего мероприятия по обеспечению требований ЭМС и помехоустойчивости при проведении модернизации изделия; - подготовки технических требований в части ЭМС для электрических и электронных компонентов и модулей, применяемых при модернизации изделия; - предусмотрения возможности применения альтернативных вариантов обеспечения ЭМС, параллельно с разработкой основных технических решений, исключающих незапланированные временные задержки; - выбора оптимальных вариантов конструкций электромагнитных экранов и предварительного резервирования мест для их установки, ускоряющего прохождение испытаний.
ОАО «НВП «ПРОТЕК» (г. Воронеж) – в ходе проектирования и разработки изделия типа АПФАР-С1 ПРТК.464657.002 достигнут следующий полезный эффект: - увеличение помехоустойчивости аппаратуры до 8% за счет оптимизации топологии ПП по критериям электромагнитной совместимости и помехоустойчивости; - уменьшение себестоимости аппаратуры до 2% за счет оптимизации компоновки и применения новых технических решений, при сохранении 261 устойчивости аппаратуры к внешним воздействиям по группе 1.4.1 ГОСТ РВ 20.39.304-98; - повышение уровня квалификации инженеров-конструкторов в области решения задач внутриаппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости. ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) – при производстве портативной радиостанции Р–168–0.5УЕ, входящей в состав семейства радиостанций Р–168Е получено: - обоснованное формирование требования ТЗ в части обеспечения ЭМС и ПУ при модернизации и расширении функциональных возможностей изделий; - за счет применения новых технических решений в области требований ЭМС и ПУ обеспечена чувствительность приемника в режиме «прием» 0,6 мкВ, в режиме «поиск» 20 мкВ/м, а выходная мощность передатчика 3 Вт при сохранении себестоимости изделий; - снижена масса и габаритные размеры несущей конструкции на 6% за счет оптимизации внутренней компоновки по критериям обеспечения ЭМС и ПУ при сохранении себестоимости изделий.
ОАО «Электросигнал» (г. Воронеж) – при модернизации платы приемопередатчика ППУ радиостанции «Транспорт РВ-1.1МК» ИТЯЦ5.000.021 получен следующий полезный эффект: - проведение топологической верификации позволило оптимизировать трассировку ВЧ цепей и уменьшить уровень паразитного излучения на частоте 155 МГц с 43 дБмкВ/м до 36 дБмкВ/м; - проведение топологической верификации позволило оптимизировать трассировку печатных проводников соединяющих чувствительные компоненты и снизить вероятность их повреждения от ЭСР на 9%; - разработка новой конструкции электромагнитного экрана цепей гетеродина позволила применить цельнотянутую технологию изготовления экрана из листового материала, тем самым уменьшить себестоимость на 16% при сохранении требуемой эффективности экранирования. 262
Теоретические и практические основы оптимального проектирования конструкций РЭС с учетом обеспечения требований ЭМС и ПУ внедрены в учебный процесс Воронежского государственного технического университета при обучении студентов по направлениям подготовки 211000 «Конструирование и технология электронных средств» и 200100 «Приборостроение». Материалы диссертационного исследования используются при проведении лекционных, лабораторных и практических занятий, а также при выполнении курсового проектирования в рамках специализированных курсов «Электромагнитная совместимость приборов», «Электромагнитные процессы в электронных средствах», «Моделирование и анализ электромагнитной совместимости РЭС».
