теория. Эс как технические изделия характеризуются большим количеством внутренних и внешних характеристик (параметров)
 Скачать 3.64 Mb.
|
|
Помехи в шинах питания Каждая точка шины питания, к которой подключаются соответствующие выводы ИС, должна иметь в идеале один и тот же потенциал, согласно выполняемым функциям («питание» или «земля»). Напряжение питания, подаваемое на ИС, не должно выходить за пределы, указанные в ТУ на ИС. Появление помех в шинах питания может привести к сбою в работе ЭС. Основные виды помех в шинах питания: статические и импульсные. Статические помехи обусловлены падением напряжения на активном сопротивлении шин «земля» и «питание» при протекании по ним постоянных токов. На рис. 7.9 приведена схема, состоящая из М п модулей с общим питающим напряжением и общим нулевым потенциалом («землей»). Рис. 7.9. Принципиальная (а) и расчетная (б) схемы подвода «питания» и «земли»: ВИП – вторичный источник питания; R 1 – выходное сопротивление вторичного источника питания; R П и R З – активное сопротивление участка шины «питание» и «земля»; L П , и L З – индуктивность участка шины «питание» и «земля» При протекании тока через модули на шинах «питание» и «земля» будет иметь место падение напряжений. В зависимости от того, через какие модули в данный момент проходят токи, напряжение питания на каждом из модулей может иметь те или иные отклонения. Очевидно, что в наихудшем режиме, с точки зрения помехозащищенности, работает n-й модуль. Если функционирует модуль М п , а остальные находятся в режиме ожидания, то имеет место падение напряжений U П и U З Основная конструктивная мера по уменьшению статических помех – выполнение проводников, выполняющих функции общих шин питания, по возможности короткими, а их поперечное сечение –возможно большим. Импульсные помехи обусловлены, главным образом, кратковременными возрастаниями («бросками») токов потребления ИС при переключении их из одного логического соединения в другое. Импульсные помехи также могут проникать в шины питания извне, например, из источника питания. Среди цифровых ИС наибольший уровень помех при переключении создают ТТЛ-интегральные схемы. На рис. 7.10 показана работа выходного каскада ТТЛ-схем, включающего в себя составной инвертор. Рис. 7.10. Работа выходного каскада ТТЛ-схем: а – состояние статической единицы; б – состояние статического нуля; в – стадия переключения из «0» в «1» или из «1» в «0» В состоянии статической единицы транзисторный ключ ТК1 открыт, а ТК2 закрыт, обеспечивая на выходе высокое напряжение U вых . В состоянии статического нуля ТК1 закрыт, а ТК2 находится в режиме насыщения. Наиболее существенными причинами значительных перепадов токов являются сквозные токи, появляющиеся при переключении. В определенный момент оба ключа оказываются замкнуты. Это объясняется невозможностью быстрого выхода транзисторных ключей из режима насыщения. Образование импульсного сквозного тока I скв при переключении ИС приводит к импульсному падению напряжения на обладающих индуктивностью шинах питания, определяемому как U = L(di/dt ), где di/dt – производная индуктивного тока при коммутации. Импульсные помехи в шинах питания могут приводить к сбоям в работе ЭС по следующим причинам: - изменение питающего напряжения ИС, превышающее установленный в ТУ допуск; - импульсное падение напряжения на шине «земля», которое может вызвать искажение информационного сигнала на входе ИС (в случаях, когда информационный «0» соединен с шиной «земля»); - перенос помех из шин питания в сигнальные цепи индуктивным или емкостным путем при больших скоростях изменения тока di/dt и напряжения du/dt. Для снижения уровня помех в шинах питания применяются следующие схемно-конструктивные методы: - уменьшение индуктивности шин питания с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников; - сокращение длин участков шин питания, которые являются общими для токов от различных ИС; - снижение скорости изменения импульсных токов в шинах питания с помощью помехоподавляющих конденсаторов; - рациональное размещение цепей питания на печатных платах. Лекция 8 ЭКРАНИРОВАНИЕ РЭА Под экранированием понимают конструкторские приемы ослабления электромагнитного поля (ЭМП) помех в пределах определенного пространства, позволяющие повысить помехозащищенность и обеспечить электромагнитную совместимость ЭС. Применяют два варианта экранирования. В первом случае экранируемая аппаратуpa размещается внутри экрана, а источник помех – вне его, во втором - экранируется источник помех, а защищаемая от помех аппаратура располагается вне экрана. Первый вариант используют при защите от внешних помех, второй — внутренних. В обоих вариантах в качестве экранов используются металлические оболочки. Поскольку применение экранов приводит к увеличению массы и стоимости ЭС, то экранирование считается вынужденной мерой, которая применяется после того, как исчерпаны другие возможности (схемотехнические и конструктивные). Одновременно с выполнением основной функции – ослабления поля помех – экран оказывает воздействие на собственные параметры цепей и контуров экранируемого объекта, что связано с перераспределением ЭМП при установке экрана. Функции экранов часто выполняют кожухи, панели и крышки приборов блоков и стоек. В общем случае металлический экран толщиной 0,025...1 мм (например, корпус ЭС) в той или иной степени ослабляет ЭМП помех. Для повышения эффективности экранирования конструкцию экрана (материал, форму, толщину и т.п.) выбирают по результатам соответствующего анализа. На рис. 8.1 показана электромагнитная волна частотой f (Гц) и характеристическим сопротивлением Z w , которая падает на экран толщиной t (м) с магнитной проницаемостью μ (мкГн/м) и удельным сопротивлением ρ (Ом·м). Характеристическое сопротивление экрана на частоте f равно (по модулю): , где f - толщина скин-слоя (толщина слоя в веществе, при прохождении которого электромагнитное поле ослабляется в е раз). Различие характеристических сопротивлений волны и экрана приводит к тому, что волна частично отражается от границы раздела воздух— экран, а частично проникает сквозь экран, где часть ее энергии превращается в тепло. Достигнув границы раздела экран — воздух, волна частично отряжается обратно, а частично проходит через экран. Распространяющаяся в материале экрана электромагнитная волна испытывает многократное отражение и в результате полностью рассеивается или превращается в тепло. Эффективность экранирования S обычно выражается в децибелах (дБ) и представляется в виде суммы S = R+A+B , где R – затухание за счет отражения электромагнитной энергии от границ раздела воздух - экран и экран - воздух для основной волны; A – затухание за счет поглощения, вызванное тепловыми потерями от возбуждаемых вихревых токов в металле и потерями на перемагничивание (для ферромагнитных материалов); B – затухание электромагнитной энергии за счет многократных внутренних переотражений в толще экрана для остальных составляющих волн (так как параметр B обычно меньше двух других слагаемых, то им часто пренебрегают). Таким образом, S R + A . Параметры R и A могут быть определены следующим образом где Z s и Z v – характеристические сопротивления экрана и воздуха, соответственно. На рис. 8.2 показана зависимость параметров R, A и S от частоты. Эффективность экранирования в точке C минимальная. Из уравнений Максвелла, описывающих распространение электромагнитного поля, следует, что в ближней зоне источника помехи (при r 2 , где r – расстояние от источника помехи; - длина волны электромагнитного поля) с увеличением r характеристическое сопротивление воздуха электрическому полю уменьшается, а Рис. 8.1. Отражение и рассеивание электромагнитных волн при их экранировании сопротивление воздуха магнитному полю возрастает (рис. 8.3). В дальней зоне (r 2 ) электрическое и магнитное поля имеют примерно равные волновые сопротивления, близкие к характеристическому сопротивлению воздуха электромагнитному полю: В ближней зоне (r 2 ) значение Z w может быть больше, равно или меньше Z v . Если Z w > Z v , то преобладает напряженность электрического поля и оно стремится индуцировать разность потенциалов в ближайших проводниках. Если Z w < Z v , то преобладает магнитное поле, которое индуцирует ток в ближайших проводниках. В ближней зоне (на низких частотах) обычно используется экранирование электрической или магнитной составляющей. Электромагнитные явления здесь рассматриваются как квазистационарные, т.е. протекающие достаточно медленно. В дальней зоне (на высоких частотах) экранируют электромагнитные поля. Соответственно, применяемые экраны условно подразделяют на электростатические, магнитостатические и электромагнитные. Принцип действия электромагнитного экрана описан выше. Электростатическое экранирование применяют для защиты от источника, в котором имеются большое напряжение и малые токи. Электростатическое экранирование основано на уменьшении паразитной емкости между источником и рецептором путем установки между ними заземленного экрана. Экран по возможности ставится как можно ближе к источнику. Если невозможно экранировать источник (например, когда он находится за пределами устройства), то экранируют рецептор (рис. 8.4). Рис. 8.2. Зависимость эффективности экранирования от частоты Рис. 8.3. Волновые сопротивления электрического и магнитного полей Рис. 8.4. Действие электростатического поля источника на рецептор: а - без экрана; б – с заземленным экраном Заземление экрана необходимо для нейтрализации индуцируемых на нем зарядов. Поэтому материал экрана и цепи заземления должны обладать хорошей электропроводностью (медь, медные сплавы, алюминий). Высокое характеристическое сопротивление электрических полей способствует их отражению на границе воздух -экран, поэтому даже тонкие заземленные экраны оказываются весьма эффективными. Соединения лучше выполнять пайкой или сваркой. Заземляться экраны должны массивными короткими проводниками с минимальным индуктивным сопротивлением. Примеры электростатического экранирования приведены на рис. 8.5. Рис. 8.5. Модуль под воздействием электрического поля (а), защищенный экраном (б) и экранированным проводом (в) Источник помехи И воздействует на вход и выход усилителя через паразитные емкости С 1и и С 2и (рис. 8.5, а). После установки экрана Э (рис. 8.5 , б) источник помех окажется подсоединенным на землю через емкость С эи , а вход и выход схемы — нагруженными на емкости С 1э и С 2э Аналогичный результат можно получить, используя вместо общего экрана экранированные провода для входной и выходной линий (рис. 8.5 , в). Для устранения гальванической помехи по земле экраны проводов необходимо заземлять в одной точке. В многослойных печатных платах (МПП) функции экрана выполняют сплошные слои фольги с нулевым потенциалом. Для защиты от внешних электрических полей в качестве экрана часто используется металлический корпус. Металлические кожухи, крышки, панели также обладают экранирующим действием, если они соединены с корпусом. Однако при этом происходит увеличение собственных емкостей каскадов, что особенно нежелательно для высокочастотных устройств. Существенную проблему представляет выполнение экрана для аппаратуры в пластмассовых корпусах (например, мониторы компьютеров). Повышение эффективности экранирования в этом случае достигается: применением композиционных материалов (пластмасса с металлическим наполнителем); нанесением поверхностных слоёв металла (напыление металлов, нанесение специальной проводящей краски, оклейка корпуса фольгой и т. п.). Магнитостатическое экранирование применяют для защиты от источника, в котором имеются большие токи и малые напряжения. Магнитное поле, создаваемое источником, наводит в рецепторе (контуре, образуемом одним или несколькими проводниками) индуцируемое напряжение помехи. Для полного устранения или уменьшения напряжения помехи, наводимой в контуре, необходимо: - поместить контур в экран; - ориентировать его так, чтобы магнитные силовые линии поля не пересекали контур, а проходили вдоль него; - уменьшить площадь контура. Магнитные поля с низким характеристическим сопротивлением ( V W Z Z ) легко проникают через границу воздух - экран, но испытывают отражения на границе экран - воздух. При этом часть волн, которая не поглощается в экране после многократных внутренних отражений, в итоге рассеивается. Поэтому экраны, защищающие от магнитных полей, должны иметь толщину t , высокую магнитную проницаемость и низкое удельное сопротивление . Магнитные экраны выполняют как из ферромагнитных (сталь, пермаллои), так и немагнитных металлов (алюминий, медь, латунь). Механизм работы ферромагнитного экрана заключается в шунтировании силовых линий магнитного поля (рис. 8.6, а). При большой напряженности магнитного поля материал ферромагнитного экрана не должен «входить в насыщение», так как при этом магнитная проницаемость, а следовательно, и эффективность экранирования резко снижаются. а б Рис. 8.6. Экранирование магнитного поля: а – ферромагнитным экраном; б – экраном из немагнитного металла С ростом частоты возрастает роль вихревых токов, происходит вытеснение магнитного поля из толщи экрана, что эквивалентно уменьшению магнитной проницаемости (рис. 8.6, б). При этом экран, выполненный как из ферромагнитного (магнитомягкого), так и немагнитного металлов, переходит в электромагнитный режим работы. Стальные экраны в этих условиях из-за малой электропроводности и потерь на гистерезис при перемагничивании оказываются менее эффективными, чем экраны из немагнитных материалов с низким электрическим сопротивлением вихревым токам. Эффективность действия немагнитных экранов возрастает с увеличением проводимости и толщины, а также с ростом частоты источника поля. Для экранирования магнитных полей частотой 10 кГц...1МГц применяют стальные экраны, а с частотой ниже 10 кГц – сплавы с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллои). Находят применение также сетчатые экраны, в которых, как и в сплошных экранах, при воздействии переменного магнитного поля происходит возбуждение вихревых токов. Наиболее сложным считается экранирование низкочастотных магнитных полей. Электромагнитное экранирование охватывает диапазон частот от 1 кГц до 1 ГГц. Действие электромагнитного экрана основано на отражении электромагнитной энергии и ее затухании в толще экрана. Для нижней границы частотного диапазона первостепенное значение приобретает отражение, для верхней границы — поглощение электромагнитной энергии. Электромагнитное экранирование выполняется как немагнитными, так и магнитными металлами. Толщину экрана выбирают по возможности наибольшей. В особо ответственных случаях применяют многослойные экраны, состоящие из последовательно чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов, например медь - сталь, сталь - медь, медь – сталь - медь и т.д. Высокая эффективность экранирования обеспечивается за счет высокой отражательной способности меди и поглощающей стали. Наличие между слоями небольших воздушных зазоров (0,5...0,75 мм) также повышает качество экранирования. Многослойные экраны обеспечивают высокую эффективность экранирования в широком частотном диапазоне, включая область низких частот (в т.ч. магнитных полей), но существенно усложняют и утяжеляют конструкцию. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РЭА ФЭ, ЛС и КЭ изолируют от контакта с окружающей средой, содержащей влагу, пыль, химические соединения и другие вредные для ЭС компоненты, монолитными или полыми оболочками. Защита монолитными оболочками Монолитные оболочки составляют неразрывное целое с защищаемым элементом или сборочной единицей. Различают пленочные и толстостенные оболочки. Пленочные оболочки обычно представляют собой различного рода покрытия: защитные, защитно-декоративные и специальные. Защитные покрытия предохраняют покрываемые материалы от воздействия влаги и других агрессивных компонентов, защитно-декоративные дополнительно придают нарядный внешний вид, а специальные – особые свойства, например отражательную способность, стойкость к определенным средам, смачиваемость жидкими припоями и т.д. Пленочные оболочки выполняются из органических и неорганических материалов толщиной от десятых долей до нескольких сотен микрометров. Материалы для защитных пленок должны отвечать ряду требований: хорошие влагозащитные свойства, стойкость к воздействию химических и физических факторов, близость температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) покрываемого материала и покрытия, хорошая адгезия и т.д. В качестве материалов покрытий используются: металлы (Cr, Ni, Zn, Cd , драгметаллы), сплавы (чаще – оловянно-свинцовые), окислы металлов (защищаемых, например Al 2 O 3 ) и неметаллов (SiO, GeO и др.), соли металлов (например, фосфаты), пластмассы, лаки, краски и др. Чаще всего покрытиями защищают поверхности корродируемых металлов деталей (КЭ), ЛС (например, печатные и пленочные проводники, внешние выводы ФЭ), а также ФЭ (например, пленочные резисторы). Покрытия наносят различными методами: гальванической и химической металлизацией, лужением, анодной обработкой, осаждением в вакууме, пульверизацией, плакированием и др. Разновидностью пленочных оболочек являются гидрофобные покрытия с высокими водоотталкивающими свойствами (например, высокомолекулярные кремнийорганические соединения). Обработанные материалы теряют способность не только поглощать влагу, но и смачиваться ею. Гидрофобизацию применяют для обработки керамики, диэлектриков, тканей. Для получения толстостенных монолитных оболочек используются пропитка, заливка, обволакивание и опрессовка. Пропитка — процесс заполнения изоляционным пленкообразующим материалом пор и малых зазоров в компонентах ЭС с целью увеличения их электрической и механической (защита от повреждений) прочности, влаго-, нагрево- и химической стойкости. Пропитке подвергаются моточные изделия (трансформаторы, дроссели, катушки), а также детали из волокнистых и пористых материалов (например, каркасы катушек). Пропиточные составы (лаки, компаунды) должны быть нейтральны к элементам пропитываемого изделия, нетоксичны, влаго- и нагревостойки. Заливка — сплошная упаковка изделия в изоляционную массу путем заполнения ею свободного пространства между изделием и стенками корпуса или между изделием и заливочной формой (рис. 8.7 , а). Так как заливочный материал в этом случае имеет значительную массу, то в залитых узлах, как правило, возникают внутренние напряжения, вызванные различием ТКЛР компаунда и заливаемых элементов. Эти напряжения могут отрицательно сказаться на работоспособности ЭС и даже вызвать повреждения залитых проводников и непрочных компонентов. В таких случаях применяют компаунды, которые, полимеризуясь, образуют упругую, резиноподобную массу (например, компаунды на основе низкомолекулярных кремнийорганических каучуков) или самовспенивающиеся компаунды на основе полиуретановых, эпоксидных или кремнийорганических смол, в которых сжатию подвергаются пузырьки газа в порах. Обволакивание — процесс образования покровных оболочек обычно путем погружения изделий в специальный изоляционный материал (лаки, компаунды, эмали) с последующим отверждением. Обволакиваниеприменяют для защиты от влаги дискретных ЭРЭ, бескорпусных полупроводниковых приборов, микросборок (рис. 8.7, б). Основным преимуществом обволакивания является высокая экономичность, недостатками — довольно толстый (от долей до нескольких миллиметров) и неконтролируемый слой покрытия, возможность использования только для нежестких условий эксплуатации (как и для всех видов полимерной защиты от влаги), сложность удаления попавшей под защитный слой влаги. К обволакиванию можно отнести также герметизацию компаундами паяных и сварных швов и мест контактирования металлов с различными электрохимическими потенциалами, которые весьма чувствительны к воздействию влаги (например, Al и Cu). Опрессовка — защита изделия от влаги толстым слоем полимерного материала (термореактивная или термопластичная пластмасса) методом литьевого или трансферного прессования в специальных формах. Этот вид влагозащиты используют в основном для малогабаритных компонентов (ИС, ЭРЭ, микросборок; рис. 8.7, в), а б в Рис. 8.7. Примеры герметизации в монолитные оболочки: а - заливка тороидального трансформатора; б – обволакивание микросборки; в – опрессовка микросхемы что позволяет надежно укрепить внешние выводы и создать несущую конструкцию, которая способна выдерживать механические перегрузки и пригодна для автоматизации установки компонентов на плату. Чтобы избежать нарушения герметизации при колебаниях температуры, подбирают материалы корпуса и выводов с близкими значениями ТКЛР. Толщина опрессовки выбирается с учетом надежности влагозащиты, технологических требований (при толщине стенки менее 2 мм возможно повреждение защищаемого компонента в пресс-форме), внутренних напряжений (при больших толщине и изменении температуры могут возникнуть большие внутренние напряжения). При выборе материала для опрессовки учитывают также его диэлектрические свойства. Защита полимерными материалами: — имеет низкую стоимость (дешевые материалы и автоматизируемость процессов); — не исключает проникновения влаги внутрь узла (слабыми местами считаются выводы и другие элементы, вдоль которых образуются капилляры на границе соприкосновения материалов, имеющих разные ТКЛР); — пригодна лишь для небольших объемов (т.е. возможна только частичная герметизация); — обычно используется только для нежестких условий эксплуатации (отапливаемые помещения). Для жестких условий эксплуатации применяют полную герметизацию с использованием защитных корпусов (полых оболочек) из металла, керамики и других материалов. Защита полыми оболочками Применение полых оболочек в виде вакуумно-плотных корпусов (рис. 8.8) позволяет создать наиболее благоприятные условия для защищаемых элементов. При этом отсутствует непосредственный контакт элементов с оболочкой, в результате чего исключается механическое и химическое взаимодействие между ними, улучшается теплоотвод (при использовании оболочек, теплопроводность которых выше теплопроводности полимеров), повышается надежность влагозащиты и обеспечивается электромагнитное экранирование (при использовании оболочки из металла или металлизированной керамики), ослабляются паразитные связи при замене полимера сухим воздухом или инертным газом (давление которого обычно несколько превышает давление окружающего воздуха). Сухой воздух уменьшает относительную влажность в гермообъеме, а инертный газ — окисляемость материалов ФЭ и ЛС (особенно бескорпусных ИС). Полые влагозащитные оболочки применяют как для частичной герметизации (ИС, микросборки), так и полной (бортовые и наземные ЭС, эксплуатируемые на открытом воздухе). Необходимость дополнительной защиты от влаги компонентов наземных ЭС с помощью полых оболочек вызвана недостаточной надежностью монолитных полимерных оболочек, а также необходимостью защиты от влаги электрических связей (печатных плат, объемных проводников, соединителей). Полная герметизация может быть разъемной и неразъемной. Неразъемные соединения получают пайкой или сваркой. Конструкция паяного шва (рис. 8.9) позволяет производить разгерметизацию (с помощью стальной проволоки) и повторную (до 5 раз) герметизацию. Герметизация разъемных корпусов обеспечивается специальными прокладками из резины (рис. 8.10), пластиков, мягких металлов (Cu, Al, Pb. In). Рис. 8. 8. Вакуумно-плотный металлостеклянный корпус: 1 – подложка; 2 – металлическая крышка; 3 – вывод; 4 – место пайки или сварки; 5 – основание корпуса; 6 – стеклянная изоляция вывода Рис. 8.9. Герметизация корпуса ЭС паяным швом: 1 – кожух-основание; 2 – резиновая прокладка; 3 – припой; 4 – проволока; 5 - крышка Рис. 8.10. Герметизация резиновой прокладкой: 1 – корпус; 2 – прокладка; 3 - крышка Если герметизируемый объем невелик (обычно до 3 дм 3 ), то масса стягивающих болтов может составлять значительную часть его массы. Качество герметизации в полые оболочки характеризуется течью, дм 3 ·Па/с. |