Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тенденции развития средств вычислительной техники и проблема обеспечения их помехоустойчивости при широкополосных электромагнитных воздействиях 18
1.1. Тенденции развития средств вычислительной техники 18
1.2. Проблема помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях 34
1.3. Постановка проблемы 45
Выводы по главе 1 51
Глава 2. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания и источники широкополосных электромагнитных воздействий 52
2.1. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях 52
2.2. Математические модели естественных источников широкополосных электромагнитных воздействий
2.2.1. Электростатический разряд 60
2.2.2. Разряд молнии 75
2.3. Математические модели преднамеренных источников широкополосных электромагнитных воздействий 89
2.3.1. Электромагнитный импульс ядерного взрыва 89
2.3.2. Источники преднамеренного локального электромагнитного воздействия 99 Выводы по главе 2 109
Глава 3. Электромагнитное экранирование стен здания и корпусов средств вычислительной техники широкополосных электромагнитных воздействий 112
3.1. Экранирование стен здания 112
3.2. Экранирование корпуса средств вычислительной техники 126
3.3. Резонансные эффекты в линиях связи средств вычислительной техники при широкополосных электромагнитных воздействиях 138
Выводы по главе 3 145
Глава 4. Прогнозирование помехоустойчивости средств вычислительной техники при широкополосных электромагнитных воздействиях 148
4.1. Математические модели для анализа электромагнитных помех в межсоединениях печатных плат средств вычислительной техники 148
4.2. Математические модели для анализа электромагнитных помех в локальной сети средств вычислительной техники 164
4.3. Прогнозирование электромагнитных помех в линиях связи средств вычислительной техники при широкополосных электромагнитных воздействиях 173
4.4. Функционирование цифровых элементов средств вычислительной техники при воздействии электромагнитных помех 190
Выводы по главе 4 202
Глава 5. Экспериментальные исследования широкополосных электромагнитных воздействий на средства вычислительной техники 204
5.1. Цель и сложность экспериментальных исследований 204
5.2. Описание экспериментального стенда для анализа воздействия электростатического разряда 212
5.3. Описание экспериментального стенда для анализа электромагнитного воздействия разряда молнии 218
5.4. Результаты экспериментальных исследований воздействия электростатического разряда 232
5.5. Результаты экспериментальных исследований электромагнитного воздействия разряда молнии 244
5.6. Экспериментальные исследования помехоустойчивости средств вычислительной техники при электромагнитных воздействиях по локальной сети 265
5.7. Экспериментальные исследования помехоустойчивости средств вычислительной техники при электромагнитных воздействиях преднамеренного локального источника 271
Выводы по главе 5 277
Глава 6. Разработка технологии обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях 279
6.1. Снижение помех в межсоединениях многослойных печатных плат при широкополосных электромагнитных воздействиях 279
6.2. Повышение эффективности экранирования корпуса средств вычислительной техники 285
6.3. Снижение помех в вычислительной техники при широкополосных электромагнитных воздействиях разряда молнии по сети электропитания .297
6.4. Оптимизация системы молниезащиты здания 300
6.5. Разработка генератора для имитации широкополосных электромагнитных воздействий 312
6.6. Технология обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях 318
Выводы по главе 6 336 Заключение 338
Библиографический список
- Проблема помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях
- Математические модели преднамеренных источников широкополосных электромагнитных воздействий
- Математические модели для анализа электромагнитных помех в локальной сети средств вычислительной техники
- Описание экспериментального стенда для анализа воздействия электростатического разряда
Проблема помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри здания при широкополосных электромагнитных воздействиях
Другой тенденцией, в развитии современных СВТ является все более широкое применение в качестве основного функционального и конструкционного узла печатных плат [153, 158]. Применение печатного монтажа является одним из наиболее современных методов создания линий связи в современных СВТ, которые реализуются в виде двусторонних (двухслойных) и многослойных печатных плат (МПП). При сохранении всех возможностей проводного монтажа применение печатного монтажа позволяет: обеспечить значительное повышение плотности межсоединений и возможность миниатюризации СВТ; гарантировать стабильную повторяемость параметров изделий одновременно с возможностью повышения электрических нагрузок в цепях; повысить надёжность и качество СВТ; улучшить вибро- и механическую прочность, условия теплоотдачи и устойчивость соединений к климатическим факторам; осуществить унификацию и стандартизацию функциональных узлов и блоков СВТ; уменьшить трудоемкость изготовления аппаратуры и обеспечить возможность механизации и автоматизации её производства.
Известны две разновидности двухсторонних печатных плат: без металлизации и с металлизацией сквозных отверстий. Платы без металлизации по многим параметрам соответствуют односторонним платам. Но из-за наличия еще одного слоя повышается трассировочная способность печатной платы и в определенной степени плотность компоновки элементов. Серьезная проблема таких плат – обеспечение электрических переходов между слоями, для чего применяются заклепки, проволочные перемычки или пайка выводов элементов с двух сторон печатной платы. Все это резко усложняет монтаж и в целом повышает стоимость устройства. Платы такой разновидности обычно используются в любительских и макетных устройствах. Платы с металлизацией переходных отверстий имеют высокую трассировочную способность, обеспечивают высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления. Эти двухсторонние печатные платы допускают монтаж элементов на поверхности и являются наиболее распространенными в производстве радиоэлектронных устройств. Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для слабосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, например большой распределенной емкости.
На сегодняшний день современные СВТ реализуются на базе МПП, которые отличаются очень высокой трассировочной способностью и плотностью монтажа элементов. Они почти не имеют ограничений по устанавливаемым элементам (микросхемы любой степени интеграции, поверхностно монтируемые элементы и т.д.). Вариантов изготовления МПП предложено очень много, но практическое применение имеют два: 1) печатные платы попарного прессования; 2) МПП с металлизацией сквозных отверстий.
При изготовлении МПП путем попарного прессования используется технология двухсторонней печатной платы с металлизацией сквозных отверстий. Эти МПП относительно просты в изготовлении и являются самыми дешевыми. Они имеют более высокую трассировочную способность по сравнению с аналогичными двухслойными платами, но их монтажная способность ниже, чем у аналогичных двухсторонних печатных плат. Это вызвано тем, что на наружных слоях платы находятся контактные площадки отверстий для перехода на смежный и на противоположный слои МПП. Часто такие платы используются в варианте, когда два слоя отводятся для цепей «земля» и «питание» (в виде сплошных или сетчатых слоев), а остальные - для трассировки функциональных цепей (рис. 1.1.4).
Имеются две разновидности МПП с металлизацией сквозных отверстий: с внутренними межслойными переходами и без переходов. Фактически это один вариант изготовления, но наличие внутренних переходов с технологической точки зрения можно рассматривать как дополнительную разновидность. Данные платы теоретически обладают неограниченной трассировочной способностью и позволяют монтировать любые элементы с одной или двух сторон.
Сечение фрагмента четырехслойной печатной платы Посредством чередования сплошных потенциальных и функциональных слоев на МПП удается получать проводники с определенными электрическими параметрами, например с нормированным волновым сопротивлением. Трассировочная способность МПП (при прочих равных условиях) зависит от количества слоев. В реальных платах - 4-30. Увеличение числа слоев связано с проблемами металлизации сквозных отверстий. МПП с внутренними межслойными переходами имеют более высокую трассировочную способность по сравнению с МПП без таких переходов (при одинаковой их толщине), что влияет на рост себестоимости изделия. Поэтому применение таких МПП оправдано только в случаях, когда количество слоев и соответственно толщина платы по разным причинам не должны превышать заданную величину. Тогда для обеспечения трассировки всех функциональных цепей приходится применять МПП с внутренними межслойными переходами.
На сегодняшний день стоимость МПП уже невысока и зависит от количества слоев, причем при наличии межслойных переходов она почти в два раза выше, чем без них. Такие платы применяются в быстродействующих цифровых СВТ с микросхемами высокой степени интеграции. На практике это микросхемы в корпусах с 64 и более выводами.
Математические модели преднамеренных источников широкополосных электромагнитных воздействий
При изготовлении и применении многих материалов, имеющих низкую электропроводность, протекают процессы электризации, в результате которых на поверхности взаимодействующих друг с другом тел накапливаются униполярные электрические заряды – статическое электричество. Сущность этого явления заключается в проявлении эффекта поляризации вещества [23, 182]. Импульсный разрядный ток, возникающий при перетекании статического электричества из одного объекта в другой, создает проблемы с помехоустойчивостью СВТ. До 80 % отказов электронных средств, классифицируемых как превышение режима в производстве, и 50 % в эксплуатации бывают обусловлены электрическими перенапряжениями, в том числе и ЭСР. Статическое электричество склонно собираться в самых неожиданных местах, в самые неожиданные моменты времени. Оно невидимо, не имеет запаха и цвета (рис. 2.2.1.). при эксплуатации другие Рис. 2.2.1.Повреждение электронных средств из-за воздействия ЭСР Вызывающие опасные воздействия заряды статического электричества могут возникать различными путями. Однако при изготовлении и применении электрических элементов и приборов существенны два механизма поляризации: за счет трения и индукции [182].
На сегодняшний день, на практике анализ воздействия ЭСР на СВТ осуществляется путем физических испытаний [169]. При физических испытаниях в качестве источников ЭСР применяются генераторы-имитаторы. Испытательные генераторы ЭСР конструируются таким образом, чтобы обеспечивать формирование испытательных высоких напряжений, эквивалентных возникающим при накоплении статического электричества на теле человека, и создавать стандартные условия осуществления разряда на поверхность (выбранные точки) испытуемого СВТ. В известных конструкциях испытательных генераторов ЭСР осуществляется заряд высоковольтного разрядного конденсатора стандартной емкости через высокоомный резистор от источника высоковольтного напряжения. При достижении установленного испытательного напряжения осуществляется разряд этого конденсатора на выбранную точку испытуемого СВТ через разрядное сопротивление установленной величины с помощью разрядного электрода стандартной формы. При испытаниях применяются ЭСР двух видов – контактные и воздушные [31, 182].
При всех достоинствах экспериментальный метод исследования воздействия ЭСР имеет также множество существенных недостатков: – разряд в воздушной среде нестабилен из-за зависимости его временных характеристик от параметров воздуха (влажность, давление), скорости сближения и других параметров, что снижает воспроизводимость результатов измерений [30, 32]; – имитатор содержит высоковольтный источник напряжения, что требует принятия специальных мер по защите от его влияния (описанные имитаторы дают на выходе до 25 кВ); – существенные материальные и финансовые затраты на проведение экспериментальных исследований; – невозможно на ранних этапах разработки СВТ прогнозировать последствия воздействия ЭСР и принять необходимые меры еще «на бумаге», тем самым предотвратив создание СВТ, неспособных выполнять свои функции при воздействии ЭСР.
Исходя из этого, явление воздушных и контактных ЭСР можно промоделировать при помощи упрощенных эквивалентных схем (рис. 2.2.2) [182, 194–196]. Упрощенные эквивалентные схемы источников воздушного (а) и контактного ЭСР (б): U – высоковольтный источник заряда; Rз – сопротивление зарядной цепи; С – емкость источника ЭСР; R – сопротивление разрядной цепи; Ск – емкость разрядного ключа При этом существенным моментом является подбор значений элементов эквивалентных схем. В работах [23, 39, 40, 197] рекомендуются различные значения параметров исходных экспериментальных моделей, созданных для описания реальных процессов при ЭСР. При сравнении моделей источников воздушного и контактного разряда выясняется, что разница заключается лишь в том, что в последнюю включается эквивалентная емкость ключа. Экспериментальные данные показывают, что ее величина находится в пределах всего 1–3 пФ [30] и, тем не менее, это сильно влияет на разрядный ток контактного ЭСР, и оно существенно отличается от тока воздушного ЭСР [194]. В данных случаях необходимо также различать разряд с разнообразных заряженных объектов, например, с тела человека при различных операциях, и с передвижных тележек, кресел в компьютерном или лабораторном помещении (табл. 2.2.1) [40].
Математические модели для анализа электромагнитных помех в локальной сети средств вычислительной техники
Анализ приведенных данных показывает, что чем более широкополосные ЭМИ, тем больше эффективность воздействия на линии связи СВТ небольшой длины. При L 1 м наибольшее влияние имеют рассмотренные ЭМИ высокочастотных ПЛИ, т.е. на линии связи СВТ с резонансными частотами между 100 МГц и 2 ГГц данные ЭМИ оказывают наибольшее влияние по энергии, несмотря на то, что их общая энергия значительно меньше, чем энергия других импульсов. ЭМИ ЭСР и высотного ЯВ (вариант 1) обладают наибольшей эффективностью воздействия на линии связи СВТ длиной от 1 до 10 м. ЭМИ высотного ЯВ (вариант 2) и «быстрый» ЭМИ разряда молнии наиболее эффективно воздействуют на линии связи СВТ длиной от 10 до 100 м. Эффективность воздействия «медленного» ЭМИ разряда молнии и ЭМИ низкочастотного ПЛИ наиболее сильно проявляется для линий связи длиной более нескольких сот метров.
Таким образом, опасность воздействия конкретного ЭМИ определяется не только амплитудой, фронтом импульса и энергией, но и эффективностью его воздействия по энергии и напряжению.
Следующее условие возникновения резонансных явлений определяется особенностями конструкции современных цифровых СВТ. Замкнутый металлический корпус СВТ является электромагнитным экраном защищающим функциональные узлы внутри корпуса от воздействия нежелательных электромагнитных полей. Процесс движения электромагнитной энергии в замкнутом корпусе сопровождается рядом явлений, к которым относятся и резонансные явления. Данное явление может привести к нарушению условий функционирования электромагнитного экрана, т.е. к недопустимому снижению его эффективности. При резонансе амплитуда напряженности поля внутри замкнутого экрана возрастает в Q раз, а, следовательно, эффективность экранирования уменьшается в Q раз относительно результирующей эффективности, учитывающей поглощение и отражение электромагнитных волн [142].
Для приближенной оценки резонансных частот корпусов СВТ применяется выражение: z+ z+ где l, b, h – геометрические размеры сторон корпуса, м; m, n, p – индексы, обозначающие число стоящих полуволн, укладывающихся вдоль сторон корпуса. Например: для размеров корпуса 0,50,50,2 м – резонансные частоты – 425 МГц, 807 МГц, 862 МГц; размера 0,30,30,15 – 707 МГц, 1118 МГц, 1225 МГц.
На резонансных частотах напряженность электрического поля внутри где Р - мощность источника электромагнитного поля; Ко - коэффициент отражения внутренней поверхности стенок корпуса (0 Ко \); S- суммарная площадь внутренней поверхности стенок корпуса. Следовательно, напряженность электрического поля внутри корпуса СВТ, при собственных резонансных частотах, определяется коэффициентом отражения от внутренней поверхности стенок и аналитически обусловлено множителем . Резонансные частоты реальных металлических корпусов СВТ на практике во многих случаях не соответствуют расчетным частотам. Из-за наличия внутри корпуса функциональных узлов происходит существенное изменение электромагнитной обстановки внутри корпуса и сдвиг данных частот, преимущественно, в сторону повышения. Например, рассмотренные примеры (рис. 3.2.1-3.2.13) показывают, что появляются всплески напряженности на частотах, которые не соответствуют расчетным. В последующих примерах прогнозирования электромагнитных помех в линиях связи, находящихся внутри корпусов современных СВТ (раздел 4.3), отчетливо видно вся сложность электромагнитной обстановки и актуальность учета резонансных эффектов для ЭСР, ЭМИ высокочастотных ПЛИ. Таким образом, полноценный учет резонансных частот внутри корпусов современных СВТ является важной задачей и его решение требует применения других, более эффективных инструментов и численных методов.
Следующим фактором возможного возникновения резонансных эффектов в линиях связи СВТ при широкополосных электромагнитных воздействиях является то, что данные СВТ, как правило, находятся внутри здания. Как рассмотрено ранее, стены здания являются первыми рубежами экранирования СВТ от источников широкополосных электромагнитных воздействий находящихся вне здания. Таким образом, здания, где располагаются современные СВТ, по аналогии с корпусами являются объемными резонаторами. Например, можно примерно рассчитать собственные резонансные частоты помещений: размеры 53,54 м – резонансные частоты 48 МГц, 52 МГц, 57 МГц, 64 МГц; размеры 754 м – частоты 37 МГц, 43 МГц, 48, 53 МГц; размеры 974 м – частоты 27 МГц, 41 МГц, 43 МГц, 46 МГц. Таким образом, резонансные эффекты внутри здания актуальны для внешних широкополосных ЭМИ высотного ЯВ и ПЛИ. Также, в результате проведенного анализа эффективности экранирования стен здания, выявлено, что можно наблюдать резонансные явления, связанные с железобетонной арматурой стен (ячейки 2020 см, 2040 см, 2060 см) при воздействии ЭМИ высокочастотных ПЛИ.
Таким образом, резонансные эффекты при широкополосных электромагнитных воздействиях в линиях связи СВТ внутри здания могут быть связаны с несколькими причинами: с длиной линий связи (антенный эффект); с металлическим замкнутым корпусом СВТ; с помещением здания, где расположены СВТ; с особенностями конструкции стен здания. Так как при данных явлениях проявляется наибольшей отрицательный эффект для помехоустойчивости СВТ при внешних широкополосных электромагнитных воздействиях, а упрощенные аналитические подходы не дают возможности полноценно учесть данные эффекты, необходимо применять эффективный инструмент на базе численных методов и средств трехмерного электромагнитного моделирования, и адекватные математические модели.
Описание экспериментального стенда для анализа воздействия электростатического разряда
Цель проведения экспериментальных исследований заключается в выявлении границ помехоустойчивости современных СВТ (в данной работе персонального компьютера) при широкополосных электромагнитных воздействиях (ЭСР, разряд молнии, преднамеренный локальный источник), а также в подтверждении адекватности разработанных ранее математических моделей. Применение практических измерений и математического моделирования позволяет всесторонне оценить параметры электромагнитных помех в линиях связи и помехоустойчивости СВТ. Переоценка одного из упомянутых подходов обычно приводит к недостоверности полученных результатов, не соответствующих реальным исследуемым конструкциям.
Анализ имеющихся публикаций по экспериментальной проверке электромагнитных помех при широкополосных электромагнитных воздействиях показывает, что в большинстве работ рассмотрены специальные упрощенные случаи (наиболее характерные) из очень большого количества возможных вариантов и параметров реальных конструкций СВТ, МПП и других конструкционных элементов.
Условно, экспериментальные работы по исследованию воздействия ЭСР можно разделить на три группы: исследования разрядного тока и напряжения; исследования электрических и магнитных полей при различных типах разряда и исследования электромагнитных помех в некоторых типах специальных контуров при воздействии ЭСР.
В работе [285] приведены результаты исследования тока разряда при различных параметрах источника ЭСР. Анализ проводится во временной и частотной области. В [199] рассмотрено прохождение тока разряда через несколько типов специальных измерительных мишеней. Анализируются их ширина полосы пропускания, омическое сопротивление в зависимости от частоты и S-параметры. Также в [286], на основе экспериментальных исследований тока, предлагаются методы усовершенствования генератора ЭСР и специальной мишени для измерений в очень широком диапазоне. В работе [8] выведены зависимости амплитуды и переднего фронта ЭСР от скорости сближения источника, влажности окружающей среды и длины разрядного промежутка. Также встречаются работы [287] по экспериментальным исследованиям эффективности различных элементов защиты от непосредственного воздействия ЭСР. В основу этих работ заложен анализ напряжения разряда на входе и выходе защитных структур. Несколько работ [11, 288] посвящены экспериментальной подборке параметров источников ЭСР, исследованию влияния индуктивности, сопротивления, и их соотношения на форму и амплитуду тока разряда. Спецификой основной массы рассмотренных работ, посвященных экспериментальному анализу тока ЭСР, является коммерческая направленность. Это выражается в сравнении генераторов-имитаторов ЭСР, измерительных мишеней и другой измерительной аппаратуры различных производителей, т.е. проверка качества удовлетворения требований государственных стандартов различных стран, в области испытаний на воздействие ЭСР.
Вторая группа экспериментальных работ посвящена исследованию электромагнитных полей при воздействии ЭСР. Часть из них также направлена на изучение электрических и магнитных составляющих полей в ближней зоне при использовании коммерческих генераторов-имитаторов ЭСР. В этих работах показано, что установленные в стандартах требования на ток разряда неоднозначно определяют условия испытаний на воздействие ЭСР. Что касается исследования разрядов с реальных источников ЭСР, в работе [15] представлены результаты в виде напряженности электрической и магнитной составляющих поля при разряде с тела человека с низким электростатическим потенциалом. В работе [18], автором рассмотрены процессы отражения тока ЭСР при экспериментальном воздействии источника на проводник длиной 3 м, который расположен над заземленной пластиной и в зависимости от этого поведение магнитного поля на различных расстояниях от источника. Также имеются экспериментальные исследования [172] напряженностей электрической и магнитной составляющих электромагнитных полей, когда непосредственным источником выступает ток искрового промежутка или коронирующие разряды. В работе [12] исследованы напряженности электрического и магнитного поля, и плотности энергии амплитудного спектра при воздействии ЭСР на корпус персонального компьютера. Результаты представлены во временной и частотной области. Как показывает анализ, основная часть приведенных выше экспериментальных исследований направлены на определение зависимости напряженностей излучаемых электромагнитных полей в ближней зоне от формы разрядного тока и конфигурации конструкции, по которому он протекает. В них отсутствует анализ взаимодействии электромагнитных полей с возможным приемником, в каком либо виде.
И последняя, третья группа экспериментальных работ является приближенной до логического завершения для исследователя, т.е. касается анализа электромагнитных помех в контурах исследуемых объектов. В работе [203] приводятся данные об экспериментальных исследованиях электромагнитных помех при воздействии ЭСР на пластины связи, применяемые при испытаниях воздействия ЭСР на электронные средства. Приемным контуром в исследовании служат два проводника внутри одного кабеля. На одном конце проводников в качестве нагрузки используются резистор номиналом 50 Ом, а другим концом они соединены с входом осциллографа. Воздействие ЭСР осуществляется специальным генератором-имитатором ЭСР с параметрами тока по требованию ГОСТ 51317.4.2-99. В работе [14] рассмотрено экспериментальное воздействие источника ЭСР на заземленное и изолированное межсоединение тестовой печатной платы. При этом исследовалась электромагнитная помеха, возникающая на соседнем межсоединении печатной платы. Также в работе [285] рассмотрено воздействие различных типов источников ЭСР на специальную мишень. При этом приемным контуром является полукруглая антенна. Наиболее близкими к реальной ситуации являются экспериментальные исследования, приведенные в работе [7], где рассмотрены воздействия источника ЭСР на корпус электронного средства. Проникновение энергии ЭСР происходит через щель в передней панели корпуса. При этом ток ЭСР также соответствует требованиям ГОСТ 51317.4.2-99. Исследуемые электромагнитные помехи при ЭСР измеряются в прямоугольном плоском контуре, находящемся внутри корпуса. Несмотря на такие приближения к реальным условиям, в данном случае также не рассмотрены помехи в реальной конструкции печатной платы.
Что касается экспериментальных исследований воздействия разряда молнии, то в данном случае можно отметить следующие работы, направленные на исследование разрядного тока разряда молнии, измерения электрических и магнитных полей разряда молнии, воздействия разряда молнии на систему молниезащиты здания и исследования электромагнитных помех в линиях связи и электропередачи при электромагнитном воздействии разряда молнии.