Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электромагнитная совместимость цифровых элементов печатных плат электронных средств 10
1.1. Задачи электромагнитной совместимости в печатных платах 10
1.2. Статическое электричество и его опасные факторы 25
1.3. Постановка задачи 43
Выводы по главе 1 46
ГЛАВА 2. Методы анализа и моделирование воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат электронных средств 47
2.1. Методы и системы анализа электромагнитной совместимости печатных плат при воздействии электростатического разряда 47
2.2. Классификация механизмов и разработка моделей воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат 58
2.3. Результаты моделирования воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат 69
Выводы по главе 2 80
ГЛАВА 3. Моделирование воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат электронных средств на основе теории поля 81
3.1. Методы и системы анализа электромагнитной совместимости печатных плат при воздействии электростатического разряда 81
3.2. Метод моментов для моделирования воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат 91
3.3. Результаты моделирования воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат 102
3.4. Методика анализа воздействия электростатического разряда на функционирование цифровых элементов печатных плат 119
Выводы по главе 3 132
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования воздействия электростатического разряда 133
4.1. Цель и сложность эксперимента 133
4.2. Схема эксперимента 138
4.3. Результаты эксперимента 141
Выводы по главе 4 150
Заключение 151
Библиографический список
- Статическое электричество и его опасные факторы
- Классификация механизмов и разработка моделей воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат
- Метод моментов для моделирования воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат
- Схема эксперимента
Введение к работе
По мере расширения применения разнообразных электронных средств (ЭС), возрастания их мощности и быстродействия, и при увеличении интенсивности и разновидностей окружающих электрических, магнитных и электромагнитных полей обостряется проблема электромагнитной совместимости (ЭМС). На начальном этапе развития ЭС при относительно низком быстродействии элементной базы и относительно невысокой сложности, проблемы электронного конструирования не стояли так остро и само конструирование изделия сводилось в основном к обеспечению технологичности и механической прочности. На сегодняшний день, проблема обеспечения ЭМС ЭС становятся важнейшей задачей конструирования ЭС [10, 25, 88, 99].
Актуальность этих задач на современном этапе развития ЭС обусловлена следующими основными причинами:
- повышением быстродействия полупроводниковых приборов и
электронных схем;
- снижением амплитуд рабочих сигналов цифровых элементов, с одной
стороны, и повышением уровня внешних помех - с другой;
- возрастанием влияния межсоединений и компоновки узлов на
помехоустойчивость и быстродействие ЭС;
- трудоемкостью и большими материальными и временными затратами,
связанными с поиском и устранением причин низкой помехоустойчивости ЭС.
При конструктивной реализация любого ЭС неизбежно вносятся дополнительные паразитные параметры емкостного, индуктивного и резистивного характера, которые могут в недопустимых пределах ухудшить ее быстродействие и помехоустойчивость в реальной конструкции, а в некоторых случаях привести к полной потере работоспособности схемы. Особенно велико влияние конструкции и монтажа на работу сверхскоростных схем и средств. Поэтому конструирование ЭС в наносекундном и субнаносекундном
диапазонах (сверхскоростные интегральные схемы, базовые матричные кристаллы, многослойные печатные платы (МПП), проводные и кабельные линии связи, корпуса стоек и шкафов, схемное и защитное заземление, цепи электропитания) - это прежде всего электронное конструирование, основным критерием качества которого является системное быстродействие и ЭМС [3,8, 44, 58].
ЭС широко применяются в народном хозяйстве, но их экономический эффект существенно снижается из-за проблем с обеспечением ЭМС при воздействии электростатического разряда (ЭСР) и электромагнитных помех на этапах производства и эксплуатации [53, 55]. До 80 % отказов ЭС классифицируемых как превышение режима в производстве, и 50 % в эксплуатации бывает обусловлено электрическими перенапряжениями, в том числе и ЭСР. Однако могут появляться не только немедленные отказы, которые ведут к сокращению сроков замены поврежденного элемента, но и скрытые повреждения, связанные с гораздо большими расходами, которые влекут за собой нежелательные ложные функциональные проявления у потребителя. Статическое электричество склонно собираться в самых неожиданных местах, в самые неожиданные моменты времени. Оно невидимо, не имеет запаха и цвета. Однако, порой, достаточно одного ЭСР, чтобы вывести из строя сложнейший электронный прибор или уничтожить базу данных крупной организации. Экономические потери при этом могут исчисляться сотнями и даже миллионами долларов. Вот почему так важно иметь на предприятии экспертов в области ЭМС, и в частности по электростатике. По данным печати электронная промышленность США ежегодно теряет от 10 % до 18 % продукции в результате повреждения ЭСР. Ежегодно затраты на ремонт аппаратуры и дополнительное обслуживание в результате отказов поврежденных ЭСР составляют около 10 млрд. долларов [48]. По - видимому, потери на самом деле еще больше, т.к. не всегда можно точно установить, что причиной повреждения является ЭСР или другие внешние или внутренние факторы.
На устойчивость к воздействию ЭСР должны обратить внимание все разработчики, использующие новейшие достижения технологии интегральных схем и многослойных печатных плат, а также добивающиеся высокой надежности своих изделий и успеха на международном электронном рынке. Из материалов международных симпозиумов по ЭМС последних лет видно, что данным вопросом активно занимаются специалисты из США [117, 137, 138]5 Китая [124, 139, 140, 141, 145], Швейцария [133, 134, 142, 143], Японии [130, 131], Германии [ПО, 122, 123] и Италии [115, 118, 119].
В решение задач связанных с воздействием ЭСР также внесли большой
вклад российские ученые и специалисты: Кириллов В. Ю., в области
разработки методов и средств исследований и испытаний воздействия ЭСР на
бортовые системы космических аппаратов [41, 42, 43], Кечиев Л. Н. в области
анализа электромагнитных помех при ЭСР и методов защиты от его
воздействия [48], Файзулаев Б. Н, Логачев В. В, Усанов А. П., в области
экспериментальных исследований воздействия ЭСР на ЭС [51, 83, 84, 85],
Горлов М. И., Андреев А. В., в области исследований непосредственного
воздействия ЭСР на интегральные схемы [2, 23], Каверзнев В. А., Грошева Г. Д., в области исследований методов и средств защиты полупроводниковых изделий от воздействия ЭСР [24, 32] и Потапов Г. П. в области электризации летательных аппаратов [66, 67]. Среди зарубежных авторов необходимо отметить работы Джоввета Ч. [26], Бокслейтера В. [111], Хабигера Э. [88]. и Шваба А. [99], в которых даны описания некоторых механизмов воздействия и упрощенные, аналитические подходы для решения задач связанных с воздействием ЭСР. Как видим, для большинства перечисленных работ, касающихся анализа воздействия ЭСР на элементы ЭС, наиболее характерным является экспериментальный подход для решения данной задачи, упрощение конфигурации решаемой задачи и множество подходов и методов для защиты от непосредственного воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат.
Лучшим же способом, решения проблем ЭМС ЭС, является исключение с самого начала, т. е. еще на этапе разработки ЭС, причины, порождающие
помехи. Для этого необходимо: 1) понять, какие виды и механизмы влияния помех наиболее вероятны в данном ЭС; 2) создать условие, которая исключает возникновение как можно большего числа помех или уменьшает вероятность их появления; 3) выбрать и разместить печатные платы, кабели и другие структурные составляющие системы таким образом, чтобы исключить как можно больше причин, вызывающих помехи, и обеспечить при необходимости возможность подсоединения подавляющих помехи компонентов. Все эти меры позволяют принять необходимые решения для устранения последствий ЭСР еще на этапе разработки ЭС, что приводит к сокращению материальных, временных затрат и в целом позволяют повысить качество ЭС, сделать их более эффективной, экономичной и надежной.
Вышеизложенное показывает актуальность исследования и требует проведения глубокого анализа проблемы ЭМС при ЭСР и выработки методики для анализа возможных нежелательных процессов при воздействии ЭСР на функционирование цифровых элементов печатных плат ЭС.
В диссертационной работе предлагаются следующие новые научные положения, касающиеся задачи воздействия ЭСР на функционирование цифровых элементов печатных плат ЭС:
-методика анализа воздействия ЭСР на функционирование цифровых элементов печатных плат ЭС;
- обоснование возможности и необходимости анализа воздействия ЭСР
на функционирование цифровых элементов печатных плат на этапе разработки
ЭС;
классификация механизмов воздействия ЭСР;
модели для анализа воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат ЭС;
результаты моделирования воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат ЭС.
Практическая ценность работы заключается в предложенной методике, которая может быть использована на этапе разработки ЭС и тем самым,
позволяет предотвратить возможные нежелательные последствия воздействия ЭСР на этапе обязательного испытания. Это позволит снизить затраты и сократить сроки разработки ЭС с учетом требований ЭМС при воздействии ЭСР.
Объектом исследования в данной работе является печатная плата ЭС с установленными цифровыми элементами.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации 167 страниц, которая включает 13 таблиц и 92 рисунка. Библиографический список состоит из 147 наименований.
В главе 1 рассматриваются общие задачи ЭМС цифровых элементов печатных плат ЭС, проводится классификация помех по нескольким критериям, рассматриваются современное состояние основных методов защиты печатных плат от воздействия электромагнитных помех. Определяется понятие статического электричества, рассматриваются механизмы возникновения и параметры основного фактора электромагнитных помех - тока ЭСР. Ток ЭСР проанализирован во временной и частотных областях. Результатом аналитического обзора первой главы явилось сформулированная постановка цели и задач диссертационной работы.
В главе 2 рассмотрены особенности и ограничения применения методов и систем анализа ЭМС. Выбрана система анализа для исследования задачи воздействия ЭСР на элементы печатных плат ЭС при простой конфигурации пути тока разряда. Проводится классификация и выявлены наиболее опасные механизмы воздействия ЭСР. В программном комплексе ПА-9 разработаны модели для анализа воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат ЭС при простой конфигурации пути тока разряда. Приведены результаты моделирования воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат.
В главе 3 рассмотрены методы и системы анализа задач ЭМС на основе теории поля. Обосновывается выбор метода моментов, и в частности, его реализация в системы моделирования Microwave Office 2002, для решения
задачи воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат ЭС. Разработаны модели для адекватного анализа помех на печатных платах ЭС при воздействии ЭСР на пластины связи или корпус ЭС. Приведены результаты моделирования на основе метода моментов и оценка точности в сравнении с экспериментальными данными. Разработана методика анализа воздействия ЭСР на функционирование цифровых элементов печатных плат ЭС.
В главе 4 сформулирована цель и выявлена сложность экспериментальных исследований воздействия ЭСР на ЭС. Приведено описание и структурная схема экспериментального стенда. Результаты экспериментальных исследований воздействия ЭСР сравниваются с результатами моделирования на программных комплексах. Проводится оценка точности предложенной методики и моделей для анализа воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат ЭС.
Статическое электричество и его опасные факторы
При изготовлении и применении многих материалов имеющих низкую электропроводность, протекают процессы электризации, в результате которого на поверхности взаимодействующих друг с другом тел накапливаются униполярные электрические заряды - статическое электричество. Сущность этого явления заключается в проявлении эффекта поляризации вещества [49, 80]. Обычно атом в электрическом отношении нейтрален. При этом атом имеет равное количество протонов и электронов. К атому, однако может присоединиться или отделиться от него один или несколько электронов. Атом (или группа атомов), имеющий заряд, называется соответственно положительным или отрицательным ионом. При этом наименьший электроотрицательный или электроположительный заряд иона равен по величине элементарному заряду. Вокруг каждого заряда или группы зарядов существует электрическое поле, в котором или под воздействием которого проявляется действие зарядов. Если в группу таких зарядов внести заряд q, то на него будет действовать сила F, прямо пропорциональный заряду q. При этом напряженность электрического поля Е в точке, где находится заряд q, можно задать Б виде формулы следующим образом: E=F/q. Определение напряженности подобным образом предполагает, что заряд q является достаточно малым, чтобы не нарушить установившееся расположение зарядов. Если заряд q является положительным, то сила, действующая на него имеет то же направление, что и электростатическое поле, но если заряд отрицательный, то противоположное. Таким образом, если в зоне действия поля имеются положительные или отрицательные ионы, то это поле действует на них в противоположных направлениях. Происходит поляризация вещества. Заряд обычно переносится ионами, которые в проводниках свободно переходят от одного атома к другому. Протоны, в свою очередь не могут передвигаться, если атомы остаются неподвижными. Поэтому в твердых веществах передвигаются только электроны, в жидкостях и газах передвигаются и те и другие.
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 [48, 81]. Наиболее часто встречающаяся форма возникновения паразитных электрических зарядов - электризация трением (рис. 7). Возникающее при этом электричество так же называют трибоэлектричеством, а сам эффект трибоэлектрическим. Электризация трением появляется в следствии контакта тела человека с его одеждой, с полом, с сиденьем, с рабочими деталями, а также при соприкосновении панелей, приборов с устройствами для обработки, тарой при их хранении и транспортировки. Процессы трения могут быть обусловлены как естественными движениями тел, нормальными рабочими операциями, такими технологическими процессами и операциями, как вентиляция, продувка, опрыскивание, упаковка и распаковка, загрузка, а также сотрясениями, вибрациями при транспортировке [88]. Заряд сохраняется в материалах, обладающих низкой электропроводностью - пластмассе, резине, текстиле и т.п., а также в электропроводящих материалах, если они изолированы от земли.
Электризация трением Возникновение таких зарядов объясняется в основном образованием двойного электрического слоя - своего рода электрического конденсатора, обкладки которого могут находится по обе стороны межфазовой границы, например при контактах металл - металл, металл - диэлектрик, диэлектрик -диэлектрик [49] и т. п. Предполагают, что при соприкосновении двух тел, А и В, происходит переход зарядов от одного тела к другому, что и приводит к образованию двойного электрического слоя. При контакте двух твердых тел наиболее вероятен перенос заряда электронами, однако в некоторых случаях может происходить и движение ионов. Расстояние между слоями электрических зарядов равно лишь нескольким молекулярным диаметрам. При разъединении таких поверхностей, если начальная разность потенциалов была даже очень маленькой, как следствие уменьшения емкости могут появляться очень большие разности потенциалов. Эта зависимость исходит из формулы:
Классификация механизмов и разработка моделей воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат
Электрические заряды, накапливаясь в определенной электрической емкости, создают электрический потенциал, который в ряде случаев можно регулировать с помощью технических средств или специальных мероприятий. Однако в большинстве случаев имеет место ЭСР, и он приводит к образованию электромагнитных помех.
В литературе не встречается целостного анализа путей воздействия ЭСР на цифровые элементы печатных плат ЭС, поэтому проведем классификацию электромагнитных помех образованных при ЭСР и механизмов их воздействия на цифровые элементы печатных плат (рис. 14). Как видно из рис. 14, можно выделить следующие основные механизмы воздействия ЭСР на элементы ЭС [95]:
1. Непосредственный на цифровые элементы ЭС.
2. Прямое воздействие ЭСР на ЭС (корпус и т.п.) и помехи образованные за счет тока искрового промежутка разряда.
3. Прямое воздействие ЭСР на ЭС (корпус и т.п.) и помехи образованные за счет токов растекания по некоторым элементам конструкции ЭС.
4. Косвенный, на некоторые объекты около ЭС и помехи образованные за счет тока искрового промежутка разряда.
5. Косвенный, на некоторые объекты около ЭС и помехи образованные за счет токов растекания по конструкции этого объекта.
При первом механизме влияния ЭСР, заряженное тело разряжается на выводы, корпус интегральной схемы, на межсоединения в печатной плате или любой другой элемент ЭС. Это может иметь место при обслуживании, изготовлении, испытаниях, проверке и ремонте ЭС (рис. 15). Искра при этом обладает сильными нелинейными свойствами.
Форма кривых тока, а особенно фронт импульса имеют очень сложный вид. В этом случае, предложено выделить три вида поведения цифрового элемента в зависимости от напряжения на разряжающемся теле и типа элементной базы, при прочих равных условиях [17]:
1. Потенциал источника разряда относительно низкий, т.е. когда энергия разрядного импульса очень мала, из-за его малой длительности при электростатическом разряде. При этом функционирование элемента не нарушается.
2. Напряжение разряжающегося тела находится в определенном диапазоне, начиная с значения нижней границы которого, происходит нарушение функционирования, т. е. ложное срабатывание цифрового элемента.
3. Напряжение источника разряда больше некоторой критической величины, при котором уже необходим расчет на предмет повреждения цифрового элемента на печатной плате.
Как видно, дополнительного анализа требуют второй и третий случаи. Для третьего случая, в независимости где находится цифровой элемент -установлен на печатную плату или находится отдельно требуется дополнительный анализ на предмет повреждения. Анализ данного случая приведен в [26] с применением методики с кривой Бунша-Белла. С учетом того, что наиболее чувствительным к ЭСР является цифровой элемент на основе МОП технологий, на основе работы [2] исследованы схемы встроенной
защиты цифровых элементов. Путем моделирования на ПК ПА-9, автором проанализированы эффективности работы нескольких схем защиты КМОП элементов [21]. Второй случай в литературе отдельно не выделяется, хотя при этом когда разряд ЭСР происходит на межсоединения в печатной плате, может произойти ложное срабатывание цифрового элемента [17, 128].
Второй механизм - прямое воздействие ЭСР на ЭС. При этом ЭСР может воздействовать на любую точку или поверхность ЭС, которые доступны обслуживающему или эксплуатирующему персоналу. Например, при испытаниях на воздействие ЭСР рекомендуется проводить разряды на следующие точки: любые точки на корпусе ЭС; точки на панели управления или на клавиатуре; на переключатели, кнопки или другие доступные для оператора места; индикаторы, светодиоды, решетки, корпуса соединителей и др. [78]. В этом случае образование помехи обусловлено непосредственно током разрядного промежутка ЭСР [137, 146]. Этот случай характерен для ЭСР между диэлектрическими телами. При этом если заряд стекает на другое изолированное тело искра или ток разряда прерывается тогда, когда тела примут новый, равный потенциал U который вычисляется по формуле [48]: где Q - заряд накопленный на теле, Кл; С - емкость разряжаемого тела, Ф; Сз - емкость заряжаемого тела, Ф.
В данном случае ЭСР создает пространственные электромагнитные помехи - импульсные электрические и магнитные поля ближней зоны, импульсные электромагнитные поля дальней зоны. Кондуктивные и пространственные электромагнитные помехи, факторы ЭСР, имеют импульсный характер, описываются непрерывной спектральной функцией и поэтому при решении задач анализа ЭМС возникает неопределенность в определении границ ближней (индукционной) и дальней зон распространения электромагнитных помех.
Метод моментов для моделирования воздействия электростатического разряда на цифровые элементы печатных плат
Приведем описание задачи, которая решается численно. Анализируемая структура воздействия ЭСР на элементы печатных плат ЭС находится внутри трехмерного прямоугольного объема, ограниченного электрическими или магнитными стенками. В общем случае объем заполнен слоистой средой, которая может состоять из произвольного числа изотропных однородных диэлектриков или магнитных слоев.
В этом случае, электрический (Е) и магнитный (Н) векторы поля связаны системой уравнений Максвелла (в частотной области) [73]: гоШ = ісоєрЕ + J2, rotE --io}jApH, divE = p, divH = 0 для всех (x, у, z) є Q.v, где J г - вектор объемной плотности Z - направленных токов; Єр и fip - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость сред слоев (для среды с потерями єр - комплексная величина); со - круговая частота гармонического колебания.
Токи, направленные вдоль оси Z, считаются постоянными внутри слоя, но они могут изменяться от слоя к слою, что дает возможность дискретизации по оси Z. Таким образом, получаем шесть составляющих электрического Е и магнитного Н поля внутри слоя с постоянным током поперек него. Компоненты тока вдоль X и Y могут существовать только в металлическом слое z- dj, параллельном поверхностям раздела. Граничные условия для металлического слоя имеют вид [73]: 1г {Я(+ .)-Я(- )} = 7, lt {E(+dj)-E(-dj)} = Qt где \7 - компонента тока вдоль оси Ъ\ц- поверхностный ток.
Металлический слой может иметь произвольную форму, частично с областями идеальной проводимости, частично заполнен металлом с потерями, резистивными пленками и областями, предназначенными для дискретных компонентов.
Первый шаг, в решении задачи с помощью модуля моделирования электромагнитного поля, состоит в разбиении структуры на прямоугольную сетку и распределение ее по слоям. Диэлектрические слои могут быть без потерь или с потерями. Если все диэлектрические слои структуры не имеют потерь, то элементы матрицы моментов - действительные числа. Диэлектрический слой без потерь имеет нулевой тангенс угла потерь и нулевую объемную проводимость. Если какой либо из диэлектрических слоев имеет эти параметры ненулевыми, то для расчета элементов матрицы моментов требуется использование комплексной математики. Преимущество использования диэлектриков без потерь состоит в том, что вычисление элементов матрицы моментов, использующие математику действительных чисел выполняется значительно быстрей, чем вычисления комплексных чисел. Для некоторых задач, требуемое время на вычисления элементов матрицы моментов не является существенной по сравнению с общим временем решения, для других же задач этот шаг может занимать значительное время.
После разбиения металлических слоев на ячейки планарная конструкция представляется в виде набора перекрывающихся крышных функций в X и Y направлениях. Каждая такая функция строится на площадке, имеющую ширину, равную по крайней мере одной ячейки и длину - двум ячейкам. Метод решения требует, чтобы геометрия была согласована с узлами однородной прямоугольной сетки. Однородная сетка требуется потому, что точки излома крыш должны совпасть с узлами однородной сетки.
Рассмотрим структуру (рис. 40), где несколько проводящих объектов находятся в слоистой среде и эта среда составлена из N параллельных слоев между верхним полупространством z 0 и земляной плоскостью Z=O!N. В данном случае плоскость соприкосновения двух слоев может быть смоделирована как импедансная граница, на которой существует простая связь между касательным электрическим Et и магнитным полем Ни а именно [73] Et=ezxZsH(, (9) где Zs - поверхностный импеданс. Электрические и магнитные стенки включены в данное уравнение как частные случаи при Zs = 0 или Zs = со соответственно.
Схема эксперимента
Приведенный выше анализ и моделирование воздействия ЭСР на цифровые элементы МПП ЭС обуславливает необходимость и возможность создания методики для анализа нежелательного воздействия данного явления. На основе проведенных исследований (глава 1, 2, 3), предлагается следующая методика анализа воздействия ЭСР (рис. 70.). Данная методика должна быть применена на этапе разработке ЭС в целом, и в частности при проектировании печатных плат для ЭС [16].
Рассмотрим основные этапы данной методики (рис. 70).
I. Определение степени жесткости испытаний на воздействие ЭСР. Данный пункт предполагает аргументированный выбор степени жесткости испытаний, так как по величине воздействия источника ЭСР они отличаются в несколько раз. Выбор должен осуществятся на основе следующий информации: критичность (экономические потери) возможного отказа ЭС; условия работы ЭС в помещении (наличие синтетических материалов, влажность и т.п.); наличие мероприятий по снижению влияния ЭСР.
II. Определение исходных данных для проектирования ЭС.
Данный этап предполагает получение ответов на следующие вопросы: 1. Какой тип, конфигурация и размеры корпуса ЭС? 2. Какой материал (металлический, пластмассовый и др.) корпуса ЭС? 3. Где и какого размеры сделаны отверстия различного назначения в корпусе ЭС? 4. Где располагается печатная плата (или платы) внутри корпуса ЭС? 5. Тип и конфигурация применяемой печатной платы (однослойная, двухслойная или многослойная)? 6. Тип применяемой элементной базы?
III. Определение конфигурации и выявление наиболее критичных межсоединений в печатной плате ЭС.
Для этого необходимо использовать следующие исходные условия: 1. Длина межсоединения в печатной плате. 2. Расстояние исследуемого межсоединения до обратного проводника. В случае многослойной печатной платы до плоскости заземления. 3. Расстояние от межсоединения до корпуса ЭС. При этом корпус выступает в качестве источника электромагнитной энергии. 4. Расположение межсоединения по отношению к конструкционным отверстиям в корпусе.
IV. Выявление наиболее возможного и опасного механизма воздействия ЭСР на элементы печатных плат ЭС. На данном этапе, руководствуясь классификацией разрядов и механизмов воздействия, приведенных в разделе 2.2,, необходимо выявить наиболее возможные и опасные условия работы ЭС при воздействии ЭСР.
V. Провести оценку сложности возможного пути тока ЭСР, и выбрать VI или VII пункт.
VI. Обычно, например, при применении пластмассовых корпусов для ЭС, наиболее опасным случаем при испытаниях является ЭСР на пластину связи.
При этом путь тока имеет простую конфигурацию и поэтому предлагаем применить анализ на основе теории цепей, в частности на ПК ПА-9. Данные модели учитывают размеры и расположение межсоединений по отношению к металлической пластине. На основе, разработанных выше моделей можно учитывать воздействие ЭСР с погрешностью не более ±22 %.
VII. Для случая, когда ЭС имеет металлический корпус и отверстия предусмотренные конструктивно, применяются модели основанные на теории электромагнитного поля. В данном случаи путь тока ЭСР имеет произвольную конфигурацию. Разработанные выше, на основе метода моментов реализованного в Microwave Office 2002, модели могут быть предложены для анализа данного случая. При этом модели учитывают конфигурацию корпуса ЭС, отверстия в корпусе, реальную конструкцию печатной платы и различные точки воздействия ЭСР.
VIII. На данном этапе проводится анализ возможных помех воздействующих на вход цифровых элементов печатных плат и путем сравнения этих помех с требованиями динамической помехоустойчивости конкретных типов цифровых элементов, делается заключение о работоспособности анализируемой конструкции ЭС при воздействии ЭСР.
Если данные требования не выполняются, необходимо использовать специальные методы для снижения уровня помех на входе цифровых элементов.
Для снижения помех в межсоединениях печатных плат при воздействии ЭСР существуют основные направления по трем уровням:
- в первую очередь, необходимо рассмотреть возможные пути на уровне изменения конфигурации проводника в самой печатной плате. Данный уровень рекомендаций касается этапа размещения и трассировки цифровых элементов. Это может быть уменьшение длины критичного межсоединения, изменение положение относительно конструкционных отверстий в корпусе ЭС и размещение межсоединений по различным слоям печатной платы, т.е. наиболее критичные межсоединения должны быть расположены во внутренних слоях;
- второй уровень касается изменений самой конструкции печатной платы. Для снижения влияния воздействия ЭСР на корпус ЭС, необходимо ввести дополнительный внешний сетчатый слой. Как показал анализ, данные изменения конструкции дают возможность снизить уровень помех в несколько раз;
- третий уровень снижения помех связан с изменениями исходных данных по проектированшо ЭС. В данном случае, для снижения помех от воздействия ЭСР, рекомендуются: увеличение расстояния от печатной платы до корпуса ЭС; уменьшение размеров и положения конструкционных отверстий в корпусе ЭС; применение специальных уплотнителей и СВЧ -соединений, с целью восстановления целостности специального экрана или корпуса; применение отдельного экранирования печатных плат.
