Газизов - ЭСиУРС. Т. Р. Газизов Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Рекомендовано умо по образованию в области сервиса и туризма в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведени
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Т.Р. Газизов Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Рекомендовано УМО по образованию в области сервиса и туризма в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям сервиса Томск 2007 УДК 621.391.825:621.396.6 ББК 32.841-017 Г 137 Учебное пособие подготовлено и издано за счет средств национального проекта Образование Г 137 Газизов Т.Р. Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Учебное пособие. – Томск «ТМЛ-Пресс», 2007. – 256 с. ISBN 5-91302-018-9 Кратко рассмотрены общие вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС): стандартизация, нелинейные эффекты, неидеальное поведение компонентов, заземление, экранирование, фильтрация, помехи по цепям земля-питание, электростатический разряд. Рассмотрены основные причины искажений электрических сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения по результатам экспериментального и компьютерного моделирования, проанализированы отрезки одиночных, связанных и многопроводных линий, а также последовательно соединённые отрезки связанных линий, показаны возможности уменьшения искажений в таких структурах за счёт выбора параметров диэлектрического заполнения линий. Кратко рассмотрены история и актуальность проблемы преднамеренных электромагнитных помех (электромагнитного терроризма, обобщены и систематизированы некоторые важные известные и новые данные по разным аспектам этой проблемы, представлены результаты работ автора (сгруппированные в разделы методология, контроль паразитных эффектов, компьютерное моделирование, которые могут оказаться полезными для решения указанной проблемы. Для студентов вузов радиотехнических специальностей. УДК 621.391.825:621.396.6 ББК 32.841-017 Рецензенты В.М. Артюшенко – докт. техн. наук, проф, завкафедрой Информационные системы Московского государственного университета сервиса АН. Селяев – докт. техн. наук, проф. кафедры Промышленная электроника ТУСУР; Г.Д. Казанцев – канд. техн. наук, доцент кафедры Телевидение и управление ТУСУР. ISBN 5-91302-018-9 © Т.Р. Газизов, 2007 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................... 5 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭМС ................................................................................. 9 1.1. Введение в ЭМС .......................................................................................... 9 1.1.1. Что такое электромагнитная совместимость ................................... 9 1.1.2. Потребность в учебном курсе по ЭМС .............................................. 9 1.1.3. Примеры электромагнитных помех ................................................. 12 1.2. Аспекты и разделы ЭМС .......................................................................... 13 1.3. Стандартизация в области ЭМС............................................................... 18 1.3.1. Международные организации. 18 1.3.2. Требования по ЭМС........................................................................... 20 1.3.3. Стандарты на излучаемые и кондуктивные эмиссии ..................... 21 1.3.4. Измерения на соответствие стандартам. 25 1.4. Нелинейные эффекты и ЭМС РЭС .......................................................... 30 1.4.1. Причины обострения проблемы ЭМС РЭС ..................................... 30 1.4.2. Аналитическое определение эффектов нелинейного преобразования сигналов при тестовых воздействиях ................................... 32 1.4.3. Способы обеспечения ЭМС РЭС...................................................... 38 1.5. Неидеальное поведение компонентов ..................................................... 39 1.5.1. Резисторы ........................................................................................... 40 1.5.2. Конденсаторы. 42 1.5.3. Индуктивности. 46 1.5.4. Механические контакты. 48 1.6. Заземление ................................................................................................. 51 1.6.1. Связь через общий импеданс земли ................................................. 52 1.6.2. Влияние индуктивности проводника земли .................................... 54 1.6.3. Системы заземления .......................................................................... 57 1.6.4. Паразитные контуры заземления. 60 1.7. Экранирование. 62 1.7.1. Ближняя и дальняя зоны. 62 1.7.2. Экранирование металлической пластиной ...................................... 63 1.7.3. Экранирование магнитного поля. 64 1.7.4. Экранирование электрического поля ............................................... 68 1.7.5. Коэффициент экранирования коаксиальных кабелей. 68 1.7.6. Подсоединение экрана коаксиального кабеля. 69 1.7.7. Витая пара .......................................................................................... 70 1.7.8. Экранирующие прокладки ................................................................ 74 1.8. Фильтрация ................................................................................................ 80 1.8.1. Синфазный и противофазный токи .................................................. 82 1.8.2. Синфазный дроссель. 83 1.8.3. Фильтр сетевого питания .................................................................. 84 1.8.4. Использование ферритов с потерями. 87 1.9. Помехи по цепям земля-питание ............................................................. 91 1.10. Электростатический разряд. 95 4 2. УМЕНЬШЕНИЕ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В МЕЖСОЕДИНЕНИЯХ ......................................................................................... 101 2.1. Суть проблемы и её актуальность ......................................................... 101 2.2. Основные причины искажений сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения ................................................................................... 106 2.3. Уменьшение искажений по результатам экспериментального моделирования. 111 2.3.1. Помехозащищённая теплопроводная монтажная плата и качественная оценка её возможностей. 115 2.3.2. Макетирование межсоединений ..................................................... 119 2.3.3. Распространение импульсных сигналов в одиночных линиях ............................................................................................................... 124 2.3.4. Перекрёстные помехи в парах связанных линий .......................... 125 2.4. Уменьшение искажений по результатам теоретического моделирования. 127 2.4.1. Уменьшение искажений по результатам оценки погонных параметров линий ............................................................................................ 131 2.4.2. Уменьшение искажений в структурах одиночных линий ............ 148 2.4.3. Уменьшение дальней перекрёстной помехи в последовательно соединённых отрезках связанных линий. 153 2.4.4. Уменьшение искажений в отрезке многопроводной линии. 175 3. ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ......................................................................... 188 3.1. История и актуальность. 188 3.2. Источники ................................................................................................ 192 3.3. Уязвимость. 194 3.4. Ослабление или усиление. 200 3.5. Пути решения проблемы ........................................................................ 205 3.6. Оценка возможных угроз авионике ....................................................... 211 4. ЗАЩИТА ОТ ПРЕДНАМЕРЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ. 212 4.1. Методология ............................................................................................ 212 4.2. Контроль паразитных эффектов. 218 4.2.1. Сосредоточенные компоненты ....................................................... 219 4.2.2. Печатные платы ............................................................................... 221 4.2.3. Протяжённые межсоединения ........................................................ 222 4.3. Компьютерное моделирование оптимизация генетическими алгоритмами. 235 4.3.1. Параметрическая оптимизация. 236 4.3.2. Структурная оптимизация. 238 4.3.3. Структурно-параметрическая оптимизация .................................. ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................................... 244 ПРЕДИСЛОВИЕ Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) всё больше используется в самых различных сферах инфраструктуры современного общества. Увеличение количества РЭА, часто работающей в ограниченном пространстве, приводит к увеличению плотности РЭА. Неуклонный рост производительности РЭА во многом обеспечивается за счёт роста верхней частоты спектра её сигналов. Эти тенденции стали всё чаще приводить к нарушению работы РЭА из-за взаимных электромагнитных помех, что сделало необходимым обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС), способности удовлетворительно работать и не мешать работе других в заданной электромагнитной обстановке. Отметим, что Обеспечение ЭМС» стало целым направлением в современной радиоэлектронике. Литература по ЭМС представлена книгами, журналами, трудами симпозиумов и различными бюллетенями. Пожалуй, самым обширным в мире является двенадцатитомное американское издание по ЭМС 1995 г. общим объёмом около 6800 страниц. Книга Пауля [1], изданная в 1992 г, стала самым популярным зарубежным учебником по ЭМС. Предметом многочисленных ссылок стала книга 1997 г. очень известных в ЭМС- сообществе учёных: Теше, Яноза и Карлсона [2]. Известной отечественной книгой, которую используют в России в качестве учебника по ЭМС, стала книга Князева, Кечиева и Петрова [3]. Очень доступное и наглядное толкование широкого ряда проблем ЭМС содержится в популярной переводной книге Отта [4]. Много весьма полезных практических рекомендаций по самым различным вопросам ЭМС приведено в книге Барнса [5]. Отечественным специалистам известны книги Волина, например [6]. Весьма полезен для знакомства с отечественными нормами и стандартами на ЭМС справочник Бадалова и Михайлова [7]. Отметим, что существенный вклад в ЭМС сделан и учёными ТУСУРа. Основоположником исследований по ЭМС в ТУСУРе стал Базенков [8]. Появилась добротная книга Тихомирова и Ефанова [9]. Свой вклад в ЭМС удалось сделать и автору [10, 11]. Должно отметить, что изложенные в книгах материалы, как правило, отличаются широтой охвата, высоким качеством, детальностью и ясностью изложения. Но поскольку подготовка книги занимает, как правило, несколько лет, эти материалы успевают устареть. Поэтому, чтобы быть в курсе результатов свежих исследований по ЭМС высокого качества, необходимо читать журналы по ЭМС. Самым известными высококачественным международным научным журналом по ЭМС является 6 «IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility». Более практической направленностью отличается журнал «EMC Technology». Несколько лет назад стал издаваться отечественный журнал Технологии ЭМС», вклю- чённый недавно в перечень ВАК. Результаты самых свежих исследований по самому широкому кругу вопросов ЭМС публикуются в виде докладов объемом 4–6 страниц в Трудах международных симпозиумов по ЭМС, которые выпускались в виде толстых томов, а сейчас выходят на компакт-дисках. Самым авторитетным симпозиумом, отличающимся очень высококачественными докладами, является Цюрихский международный симпозиум по ЭМС, проходящий по нечётным годам. Поч тным годам проходит старейший Вроцлавский международный симпозиум по ЭМС. Общество ЭМС IEEE ежегодно проводит свой очень большой симпозиум. Известен международный симпозиум по ЭМС, проходящий в различных городах Японии. Недавно сформировался Европейский Симпозиум по ЭМС, проходящий в различных городах Европы. Наконец, существуют различные бюллетени и выпуски по ЭМС, регулярно издаваемые различными организациями и фирмами, в том числе с рекламными целями. Примерами являются Compliance Engineering фирмы, солидный ежегодник Interference Technology, буклет EMC World фирмы Schaffner, одной из ведущих в мире по ЭМС. Как построить учебное пособие, чтобы охватить весь спектр вопросов по ЭМС, касающихся РЭА различных структурных уровней, причём непрерывно совершенствующейся Как отразить в этом пособии особо актуальные и новые разделы в ЭМС? В решении этих вопросов автор столкнулся с большими трудностями, поскольку имеющийся у него материал по известными самым свежим достижениям по ЭМС огромен по объёму и большей частью на английском языке. Поэтому перевод, осмысление, изложение и подготовка даже части этого материала оказались весьма трудоёмкими. Автор решил построить пособие из четырех глав. Первая посвящена общим вопросам ЭМС в их традиционной, но очень краткой постановке и написана, используя, в основном, материалы упоминавшихся книг От- та, Барнса, Пауля, Базенкова, а также материалы книги Князева, Кечиева и Петрова. Вторая глава посвящена одной из самых актуальных в ЭМС проблем уменьшения искажений при передаче высокочастотных сигналов, кратко называемой проблемой целостности сигналов (signal integrity problem). Она особенно обостряется с ростом электрической длины и плотности монтажа межконтактных электрических соединений, или межсоединений (interconnects), как правило, разветвлённых и произвольно ориентированных. При распространении в таких межсоединениях сигналы задерживаются повремени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь, испытывают влияние соседних межсоединений. Сложность учёта этих явлений состоит в том, что он требует анализа схем, состоящих не только из цепей с сосредоточенными параметрами, но и цепей с распре- делёнными параметрами, а при самом строгом подходе требуется сложный электродинамический анализ. На пути практической реализации уменьшения искажений сигналов в межсоединениях часто стоят физические и технологические ограничения. Поэтому именно проблема целостности сигнала становится одной из главных преград дальнейшему совершенствованию РЭА. Таким образом, знакомство со второй частью книги позволит прикоснуться к переднему краю исследований, хотя бы по одной из проблем ЭМС, но весьма важной и актуальной. Эта часть книги написана по материалам одной из глав докторской диссертации автора, нов очень доступной форме. Третья и четвертая главы посвящены весьма актуальной в ЭМС проблеме уменьшения преднамеренных электромагнитных помех (ПЭМП), в дословном переводе с англоязычного термина intentional electromagnetic interference (IEMI), под которыми понимают преднамеренное оказание мощного электромагнитного воздействия на электронные и электрические системы, нарушающего их функционирование. (ПЭМП, создаваемые в террористических целях, иногда называют электромагнитным терроризмом) Предпосылками возникновения этой угрозы стали, с одной стороны, достижения в создании мощных источников электромагнитного поля, ас другой – неуклонное уменьшение уровней сигналов электронных систем. Всё более широкое внедрение электронных систем в жизнь общества, приведшее к сильной зависимости от них, а также доступность устройств для создания помех сделали эту угрозу реальностью. Проблема ПЭМП является самой новой в ЭМС, и поэтому она ещё далека от своего решения. Поэтому в третьей главе сделан обзор этой проблемы, а в четвертой представлен вклад автора в её решение. Отметим, что многие вопросы в третьей главе рассмотрены очень кратко, лишь со ссылками на соответствующие работы. Однако многие из этих работ есть в коллективной монографии под редакцией автора Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий, прочтение которой рекомендуется при изучении дисциплины Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры. Весьма полезным для освоения дисциплины также представляется знакомство с монографией автора Уменьшение искажений электрических сигналов в межсо- единениях». Автор далёк оттого, чтобы быть довольным этой книгой, и непременно будет работать над её совершенствованием в следующих изданиях. Поэтому любые замечания читателей по её содержанию и пожелания для её улучшения будут восприняты автором с большой благодарностью. Их можно направить по адресу talgat@tu.tusur.ru. Автор глубоко благодарен всем, кто способствовал появлению книги. Октябрь 2007 г. Т.Р. Газизов 9 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭМС 1.1. Введение в ЭМС 1.1.1. Что такое электромагнитная совместимость В самом кратком определении электромагнитная совместимость – это способность удовлетворительно функционировать и не мешать работе других в данной электромагнитной обстановке. Однако это определение надо детализировать. Прежде всего, не совсем ясно, к чьей способности относится это определение. Отметим, что Программный комитет старейшего в Европе Вроцлавского симпозиума по ЭМС трактует это определение в самом широком смысле, те. как способность прибора (например, полупроводникового, устройства (например, усилителя, системы (например, радиолокационной, в т.ч. и живой, например, вместе се оператором. Отсюда следует весьма широкий охват структурных уровней, рассматриваемых электромагнитной совместимостью. Из определения следует, что система электромагнитно совместима, если она – не создаёт помех другим системам – не воспринимает помехи от других систем – не создаёт помех себе. 1.1.2. Потребность в учебном курсе по ЭМС Вначале х гг. в ведущих технических университетах мира начался процесс постановки учебных курсов по электромагнитной совместимости. Рассмотрим кратко то, как обосновывалась потребность в учебном курсе по ЭМС, например, в университетах США. Вначале х гг. Федеральная Комиссия Связи (FCC) США опубликовала в части 15 подчасти J её Правили Нормативов требование, которое возымело и будет продолжать иметь значительное влияние на всю радиоэлектронику вообще и электронную промышленность в частности. FCC имеет авторитет в области систем радио- и проводной связи в США. В частности, FCC имеет право контролировать помехи от этих систем или им. При всё большем распространении компьютеров и других цифровых устройств FCC осознала, что необходимы определённые ограничения на электромагнитные излучения от этих устройств для того, чтобы минимизировать возможность помех между ними и устройствами радио- и проводной связи. С многочисленными примерами таких помех стали сталкиваться с возрастающей регулярностью. Это привело к изданию вышеуказанного норматива, который возымел силу закона. Он, по существу, устанавливает ограничения на излучаемые и кондуктивные эмиссии от цифрового устройства. FCC определяет цифровое устройство как "любой электронный прибор или систему, который генерирует и использует временные импульсы со скоростью 9000 импульсов в секунду и использует цифровые методы. Этот норматив применим к любому электронному устройству, которое имеет цифровую схемотехнику и использует тактовый сигнал выше 9 кГц. Сюда относятся, например, электронные пишущие машинки, калькуляторы, кассовые аппараты, принтеры, модемы, и т.д., а также персональные компьютеры. FCC далее подразделяет этот нормативна Класс А (промышленная среда) и Класс В (бытовая среда. Нормативы Класса В приблизительно на 10 дБ более строгие, чем нормативы Класса А. В США является незаконным маркетинг "вычислительного устройства, пока излучаемые и кондуктивные помехи не измерены и не установлено, что они не превышают пределов этого норматива. FCC рассматривает маркетинг как перевозку, продажу, предложение к продаже, импорт и т.д. При преднамеренном нарушении этих нормативов могут налагаться штрафы и/или тюремные сроки заключения. Компании- производители очень беспокоятся о последствиях таких нарушений, так как они являются разрушительной рекламой, следующей из малейшего нарушения. Они также беспокоятся о финансовом ударе из-за потенциального возврата устройства, если какие-либо изделия, случайно отобранные для тестирования, превышают ограничения. Поэтому недостаточно сконструировать один образец, который соответствует нормативам, им должны соответствовать все продаваемые устройства. Поэтому разработчик цифровых устройств, дополнительно к обычным принципам функционального проектирования, должен учиться использовать принципы ЭМС в процессе своего проектирования, так чтобы изделие было нечувствительно к изменениям производства, таким как замена поставщиков комплектующих, которые могут привести к несоответствию изделия нормативам. Фактически, можно смело сказать, что сегодня любое цифровое устройство, которое сконструировано без учёта принципов ЭМС, вероятно, не пройдёт контроль на соответствие ограничениям FCC. Будущие разработчики цифровой техники, которых мы обучаем по учебным планам радиотехнических специальностей, не могут позволить себе оставаться игнорирующими это, пока они не столкнутся с этой проблемой на рабочем месте. Раз изделие сконструировано, проверено на соответствие и найдено превышающим эти ограничения, то его модификация для соответствия почти обязательно увеличит его себестоимость, которая превысит требуемую для целей обеспечения его функционирования. И чем на более позднем этапе проектирования делаются затраты на обеспечение ЭМС, тем резче рост этих затрат (рис. 1.1). Установка Производство Опытный образец Разработка 1000 100 10 Этап проекта Время Затраты на ЭМС Рис. 1.1. Резкий рост затратна ЭМС на более поздних этапах проекта Кроме того, корректная диагностика проблемы обычно вызывает задержку рабочего графика. Оба этих пункта – себестоимость и график – являются важными факторами успеха изделия на рынке. При жесткой конкуренции, компании не могут сегодня позволить себе затратна ЭМС, которые небыли бы необходимы, если бы разработчик знал определён- ные принципы проектирования с учётом ЭМС. Компании начинают осознавать, что ранний и регулярный учёт ЭМС в конструкции изделиями- нимизирует себестоимость и задержки графика, которые стали бы необходимыми в случае игнорирования ЭМС. Следовательно, ЭМС стала важным фактором в конкурентоспособности компаний, и они рассматривают её как важную часть базовой подготовки инженера. Представляется, что указанное выше касается и России, и имеет место должное понимание этого. Так, например, на радиотехническом факультете ТУСУРа самый первый курс по ЭМС поставлен на специальности радиотехника профессором Коваленко Е.С. ещё вначале х, те. когда этот процесс только начался в ведущих технических университетах мира. Сейчас же ЭМС обучают на большинстве специальностей факультета. Ряд же недавних фактов делает значимость ЭМС ещё более важной. Введение в силу в 2003 г. Федерального закона "О техническом регулировании" и принятие в соответствии с указанным законом Технического регламента по электромагнитной совместимости ведут к расширению сферы обеспечения ЭМС и установлению обязательных требований ЭМС для электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий всех назначений и видов. В этих условиях отечественные организации и предприятия- разработчики и изготовители электротехнических, электронных и радиоэлектронных изделий должны будут выполнять требования современных стандартов ЭМС при конструировании, изготовлении и испытаниях технических средств. В противном случае эти изделия не пройдут процедуру подтверждения соответствия требованиям ЭМС и будут не- конкурентоспособны в условиях присоединения России к Всемирной торговой организации и усиления конкуренции с зарубежными фирмами. |