Оптимизация устройств и схем для электромагнитной совместимости

Краткое описание

В современной разработке продукции требования к экспертизе в области электромагнитной совместимости возросли. Сегодняшние интегральные схемы значительно более чувствительны, и количество стандартов и директив по электромагнитной совместимости, которым необходимо соответствовать, также увеличилось.

В этой статье рассматриваются возможности, которые в настоящее время открываются перед разработчиками электроники в оптимизации устройств и схем для электромагнитной совместимости. Благодаря значительно меньшим размерам схемных структур и более низким напряжениям питания уровень источников излучения в области электромагнитной совместимости снизился. Однако это преимущество компенсируется более высокими частотами сигналов, обусловленными повышением эффективности. Следовательно, в целом мало что изменилось с точки зрения излучения. Исключением являются электроприводы в транспортных средствах. Проблемы, возникающие из-за радиочастотных токов, которые отсутствовали в приложениях без электроприводов, значительно усугубили ситуацию.

Наблюдается общее увеличение проблем с помехоустойчивостью к электромагнитной совместимости. Это связано с более низким напряжением питания интегральных схем и более коротким временем переключения.

Уровень помехоустойчивости интегральных схем снижается по мере снижения напряжения питания. Благодаря высокой скорости работы интегральные схемы распознают даже короткие импульсы как помехи.

Новые явления ЭМС

Технологические разработки в электронике привели к появлению новых явлений ЭМС, требующих новых, специфических знаний в области ЭМС.

• Электростатический разряд и интегральные схемы: Современные быстродействующие интегральные схемы реагируют на очень короткие импульсы помех особым образом, что приводит к совершенно новому поведению электромагнитной совместимости в тестируемых устройствах.
• Новые технологии предъявляют беспрецедентные технические требования: например, электромобили в отношении выбросов.
• Новые технические системы: требуют высоких стандартов электромагнитной совместимости для внутренних соединений.

Важность консультаций по электромагнитной совместимости.

Специализированные знания являются незаменимым ресурсом, когда речь идет о определении новых технологических направлений. Консультант, имеющий опыт в соответствующих областях, может предоставить именно эти знания.

Консультант постоянно сталкивается с новейшими, зачастую самыми сложными, проблемами электромагнитной совместимости. Решая эти проблемы, он может получить необходимые знания. Самые сложные случаи электромагнитной совместимости из промышленности обычно попадают на стол консультанта. Они должны вспомнить и применить свои знания, но в то же время они могут получить новый опыт. Эта работа позволяет консультанту распознавать новые явления ЭМС, возникающие в результате технологических разработок, как только они появляются. Это может произойти даже за годы до того, как эти явления ЭМС станут широко известны на практике. Например, быстрые переходные процессы, происходящие во время электростатических разрядов, могут влиять только на быстродействующие интегральные схемы. За это явление отвечают новые, пока не идентифицированные цепочки действий. Разработчик замечает этот эффект только во время теста на ЭМС. Испытуемое устройство реагирует необычным, необъяснимым образом (Рисунок 1).

Рисунок 1

Устройство не проходит тест на ЭМС, и заземления не видно. Меры по обеспечению электромагнитной совместимости наиболее эффективны, если четкая концепция ЭМС заложена в самом начале проекта разработки.

Быстрые переходные процессы

Быстрые переходные процессы, возникающие во время электростатических разрядов, длятся приблизительно 200 пс. Только быстродействующие интегральные схемы могут их распознать и могут быть подвержены их воздействию. Длительность переходных возмущений настолько мала, что обычные разрядные цепи не могут их закоротить. Это означает, что напряжение возмущения может достичь своего максимума и нарушить работу электроники, даже если техник считает, что все идеально закорочено. В результате возникают непредсказуемые схемы неисправностей, которые уже не позволяют дать однозначную интерпретацию.

Этот эффект сегодня довольно распространен, но десять лет назад он был довольно редким. Как только проблемы, приводящие к этому явлению, становятся известны, их можно контролировать.

Возможности глобального подавления помех

Степень необходимости вмешательства в процесс разработки зависит от конкретной проблемы ЭМС, которую необходимо решить, и может включать в себя больше или меньше работы.

1. Изменение корпуса компонента
2. Изменение схемы
3. Замена ИС, ответственной за слабое место
4. Улучшение ИС, ответственной за слабое место
5. Изменение корпуса и/или механической конструкции

Рисунок 2

Стенд для испытаний на помехоустойчивость интегральных схем. Эта измерительная установка позволяет разработчику или производителю ИС определить уровень помехоустойчивости каждого отдельного вывода. Затем в интегральную схему могут быть включены соответствующие защитные меры. Оптимизация ИС экономически выгодна для производителя при больших объемах производства.

Виды консультаций по ЭМС

Консультации в кризисных ситуациях

Запуск продукта затруднен из-за постоянных проблем с ЭМС (Рисунок 3). Ситуация становится критической. Обращаются за помощью к консультанту.

Рисунок 3

Если устройство не проходит тест на электростатический разряд, это может значительно задержать запуск продукта. Повышение защиты устройства от ЭМС часто влечет за собой высокие, незапланированные затраты.

Консультации в процессе разработки

Консультации в процессе разработки обычно основаны на опыте клиента. Идея возникла в ходе предыдущего кризисного консалтинга, когда велись новые проекты, включающие беспрецедентные требования к электромагнитной совместимости (ЭМС). Это могут быть новые проекты с 10-100-кратным повышением эффективности, требующие впервые применения инновационных технических принципов. Такие проекты могут быть новыми, и даже новыми для консультанта. Очевидным подходом было бы создание и использование прототипов для проверки всех необходимых мер. Однако опыт показывает, что сложные системы нельзя контролировать таким образом. Будет обнаружено несколько слабых мест, которые обычно непроницаемо перекрываются в прототипе. В конце концов, решение будет найдено, но оно не будет удовлетворительным. Значительные затраты времени и денег в конечном итоге приведут к неудовлетворительному компромиссу.Разбиение всей системы на отдельные компоненты оказалось эффективным. Основываясь на причинно-следственной связи, устройство должно быть разложено на компоненты. Это будет продемонстрировано здесь на примере высокоскоростной шинной системы. Шинная система должна корректно функционировать при любых условиях, даже если электростатический разряд вызывает ошибку бита. Траектория сигнала высокоскоростной шинной системы должна быть разделена на отдельные компоненты, такие как интегральная схема приемопередатчика, сегменты печатной платы, разъемы и кабели. Все эти компоненты тестируются индивидуально на предмет их пригодности и при необходимости улучшаются. Для этого необходимо определить соответствующие целевые показатели ЭМС. Наконец, оптимизированные компоненты собираются в исходный образец. Этот образец будет невосприимчив к помехам, если консультанты и их клиенты правильно сотрудничали.

Здесь также будет рассмотрен компонент высокоскоростного разъема. Создание тестовой системы в виде высокоскоростного участка (прототипа высокоскоростной схемы) будет недостаточно гибким. Гораздо лучше понимать физический параметр разъема, который представляет его функцию в цепи электростатического разряда, а именно индуктивность связи. Этот параметр описывает соотношение между током электростатического разряда, протекающим по внешнему контакту разъема, и напряжением, индуцированным на внутренних сигнальных линиях. Индуктивность связи — это не зависящая от частоты постоянная, которая зависит исключительно от конструкции разъема. Это означает, что каждый разъем имеет свое индивидуальное значение.

Расчеты индуктивности связи

Требуемую индуктивность связи можно рассчитать по формуле

L = 3 pH.

3 pH — очень малое значение для штекерного разъема. Штекерные разъемы обычно имеют индуктивность связи от 30 pH до 1000 pH. Практически нет разъема, который мог бы решить эту проблему. Ситуацию можно исправить, используя дополнительную экранирующую пластину над разъемом. Такие решения требуют времени и денег.

Производитель разъемов обычно не осознает, насколько важна индуктивность связи. Поэтому необходимо приобрести и измерить разъемы, которые могут подойти для этой цели, чтобы найти подходящий. Если проект достаточно масштабный, может потребоваться разработка разъема специально для данного применения. Это был бы наиболее элегантный подход. Конечно, производитель разъемов может относительно быстро разработать разъем, отвечающий требованиям к индуктивности связи. В этом им помогут комплект для измерения индуктивности связи (рис. 4) и инструмент моделирования.

Рисунок 4

Комплект для измерения индуктивности связи обеспечивает хороший доступ к тестируемому устройству (разъему) во время измерения. Его можно легко настроить до тех пор, пока он не будет демонстрировать оптимальное электромагнитное взаимодействие (значение индуктивности).

Например, если металлическая деталь согнута или слегка перемещена в месте измерения индуктивности разъема, влияние на индуктивность можно сразу увидеть на измерительном устройстве. Эта процедура позволяет быстро оптимизировать разъем. Целевое значение для разъема должно составлять приблизительно от 1 до 2 pH, что невероятно мало для разъема типа "штекер". После достижения целевого значения и установки готового разъема в исходный образец, система разъемов пройдет тест на электростатический разряд (ESD).

Краткое изложение

Все компоненты, имеющие отношение к электромагнитной совместимости и находящиеся в зоне помех высокоскоростной системы, должны рассматриваться одинаково.

Если этот подход не будет соблюден, исходный образец не пройдет тест, и вместо него будет использован обычный разъем, индуктивность связи которого даже неизвестна. К этому моменту решение о проектировании уже будет принято, и в большинстве случаев производственное оборудование уже будет изготовлено. Найти второй подходящий и совместимый разъем будет сложно, если не невозможно.

Роль консультанта заключается в обеспечении правильного подхода с самого начала в сотрудничестве с разработчиком электроники. Примеры также наглядно демонстрируют преимущества консультаций на этапе разработки по сравнению с кризисными консультациями.