Электромагнитная совместимость электронно-вычислительных средств при воздействии электростатического разряда

УДК 620.9+004.3

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

З.М. ГИЗАТУЛЛИН

Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева

Верхний уровень автоматизированных систем управления объектов энергетики строится на основе электронно-вычислительных средств -персональных компьютеров, которые должны удовлетворять предъявляемым требованиям по электромагнитной совместимости. В работе проводится анализ электромагнитной совместимости персонального компьютера при воздействии электростатического разряда путем имитационного моделирования.

Ключевые слова: электронно-вычислительные средства, электромагнитная совместимость, эффективность экранирования, электростатический разряд, имитационное моделирование.

Введение

Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) и стойкости электронно-вычислительных средств (ЭВС) к воздействию электромагнитных полей тесно связана с существованием непреднамеренных и преднамеренных электромагнитных связей и помех. В зависимости от вида и характера источники излучения электромагнитных помех подразделяются на два больших класса: помехи естественного и искусственного происхождения. Помехи искусственного происхождения возникают в процессе человеческой деятельности. Помехи естественного происхождения не связаны с процессами жизнедеятельности человека и существуют независимо от него. Электростатический разряд (ЭСР) является, несомненно, наиболее распространенным источником проблем с ЭМС ЭВС, который может привести к существенному снижению эффективности от их использования. ГОСТ Р 51317.4.2-99 [1] дает определение ЭСР как импульсный перенос электростатического заряда между телами с различными электростатическими потенциалами.

Задача анализа ЭМС ЭВС при воздействии ЭСР является актуальной и решение этой задачи путем только экспериментальных исследований и физических испытаний на готовых изделиях электронной промышленности не удовлетворяет требованиям сегодняшнего дня. И это не только от того, что данные подходы довольно дороги, а главным фактором против них является невозможность прогнозирования последствий воздействия ЭСР еще на этапе разработки ЭВС.

© З.М. Гизатуллин Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

В целях обеспечения ЭМС проектируемых ЭВС при электромагнитных воздействиях, в том числе и ЭСР, необходимо решение задачи прогнозирования, которую в данном случае можно разделить на несколько подзадач: анализ эффективности экранирования корпуса ЭВС; расчет электромагнитных помех в межсоединениях печатных плат, межблочных линиях связи и т.п.; анализ реакции функциональных узлов на электромагнитные помехи [2].

Теоретические подходы, связанные с исследованием ЭМС ЭВС при ЭСР, базируются на некотором идеализированном представлении их корпусов как сплошных замкнутых экранов, и с этих же позиций рассматривается влияние различных видов неоднородностей на защитные свойства корпусов-экранов ЭВС. Учет множества реально существующих факторов и конструктивных особенностей ЭВС приводит к существенному усложнению данной задачи, а решение ее аналитическими методами не представляется возможным.

В данной работе анализ эффективности экранирования проводится путем численных экспериментов на основе имитационной модели. В качестве инструмента предлагается программа моделирования электромагнитных полей Microwave Studio, основанная на методе определенных интегралов, работающая во временной и частотных областях и методе аппроксимации для идеальных граничных условий. Метод определенных интегралов - достаточно общий подход, который описывает уравнения Максвелла на пространственной сетке, с учетом закона сохранения энергии, а затем по ним формируется система специфических дифференциальных уравнений, таких как волновое уравнение. При этом система моделирования позволяет рассчитать характеристики систем в широком диапазоне частот со сколь угодно высокой разрешающей способностью по частоте, в результате чего исключается возможность потери острых резонансных пиков. Множество примеров решения задач ЭМС указывают на высокую вычислительную эффективность и точность данного метода и в частности системы Microwave Studio [3].

1. Параметры ЭСР

В общем случае напряжение U(t) и ток I(t) ЭСР описывается уравнениями [4]:

dI

U(t)+ L—— + RI (t ) = 0, I(t ) = C-—,

dt dt

где L — индуктивность разрядной цепи тока; R - активное сопротивление разрядной цепи тока; С - емкость источника разряда; начальные условия -I (0) = 0, U(0) = Vo. Если при этом разрядное сопротивление R - величина постоянная, эти уравнения принимают следующий вид:

d 2 I

LC-— + RC—— +1 (t ) = 0.

dt2 dt

Основным поражающим фактором ЭСР считается ток разряда [2]. Среди форм токов ЭСР качественно можно выделить два типа: апериодические и имеющие колебательный характер. В общем случае, при различных параметрах источников ЭСР (человек, мебель, инструмент и т.д.), можно выделить несколько

случаев поведения тока разряда [2,4]. Если R2 > 4L/C, что обычно имеет место для случая разряда ЭСР с тела человека, форма сигнала тока равна сумме двух затухающих экспоненциальных кривых. Для данного случая общее решение для

импульса разрядного тока может быть представлено в виде выражения I ^ )= К1 е - *1 + К 2 е - * 2,

R

где т 1 =-+

2 L

R 2 1 R R 2 1

4 L2 --; т 2 LC 2 L 1 4 L2 LC

U

R 2 1

2 L, 4 L2 --

V LC

Например, при параметрах источника ЭСР: С=150 пФ, R=330 Ом, L=100 нГн, Umax = 3,5 кВ имеем форму импульса разрядного тока, представленного на рис. 1. Как видно, величина тока разряда достигает 10 А, а фронт импульса составляет 0,7-1 нс. I, А

10

0

0

40

t, нс

10 20 30

Рис. 1. Ток ЭСР 2. Моделирование воздействия ЭСР

Пример 1. Конфигурация экспериментальной установки показана на рис. 2 [5]. Материал корпуса - алюминий. Внутри корпуса у верхней стенки расположен проводящий контур размерами 40х40 мм. Один конец контура соединен с верхней стенкой, а другой конец нагружен на сопротивление 50 Ом. В передней части корпуса имеется щель. Максимальное значение импульса тока ЭСР составляет 4 А.

а) б)

Рис. 2. Экспериментальная установка (а) и ее модель в графическом представлении (б): 1-корпус; 2-контур; 3-нагрузка; 4-щель; 5-источник ЭСР Электромагнитная помеха в контуре внутри данного корпуса, полученная путем имитационного моделирования, представлена на рис. 3, а. Максимальная

2

1

5

величина помехи 1,15 В и форма имеет колебательный характер. Также для сравнения показана электромагнитная помеха в экспериментальном контуре (рис. 3, б) [5].

Пример 2 Конфигурация экспериментальной установки приведена на рис. 4 [5]. Материал горизонтальной и вертикальной пластин связи - алюминий. Вертикальная пластина связи соединена с горизонтальной посредством резистора 50 Ом. Воздействие источника ЭСР осуществляется в середину вертикальной пластины связи. Данная конфигурация экспериментальной установки определена в ГОСТ Р 51317.4.2-99 [1] для проведения испытаний на воздействие ЭСР. Электромагнитная помеха наблюдается в контуре, реализованной двумя проводниками радиусом 0,2 мм и расстоянием между ними 2,5 мм. На ближнем конце контура нагрузка 50 Ом, а на дальнем конце - 105 Ом. Максимальное значение импульса тока ЭСР составляет 4 А.

U, В U, В

0 2 4 6 8 г. нс 0 2 4 6 8 г, нс

а) б)

Рис. 3. Электромагнитная помеха в исследуемом контуре: а - моделирование; б - эксперимент

7

6

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 - вертикальная пластина; 2 - горизонтальная пластина; 3 - резистор; 4 - нагрузка на дальнем конце контура; 5 - контур; 6 - нагрузка на ближнем

конце контура; 7 - источник ЭСР

Электромагнитная помеха на нагрузке ближнего конца, полученная путем имитационного моделирования, представлена на рис. 5, а. Максимальная величина помехи 1,25 В. Форма помехи имеет колебательный характер. Для сравнения приведена электромагнитная помеха в экспериментальном контуре (рис. 5, б) [5].

1,5 1

0,5 0

и, В

и, В

0

60 I. нс

20 40 60 г, нс 0 20 40

а) б)

Рис. 5. Электромагнитная помеха в исследуемом контуре: а - моделирование; б - эксперимент

Сводные результаты сравнения имитационного моделирования и экспериментальных результатов по величине максимальной амплитуды наведенной электромагнитной помехи представлены в табл. 1.

Таблица 1

Сводные результаты сравнения имитационного моделирования и экспериментальных результатов

№ примера Максимальная амплитуда помехи, В Расхождение результатов, не более, %

Имитационное моделирование Эксперимент

1 1,15 1,03 10,4

2 1,25 1,40 12,0

3 [6] 1,30 1,42 9,3

4 [7] 0,15 0,17 13,4

5 [8] 0,087 0,072 17,2

6 [9] 0,085 0,07 17,6

3. Анализ воздействия ЭСР на ЭВС

В рамках данной работы ЭВС представляет собой персональный компьютер с корпусом наиболее распространенного АТХ формата с установленными функциональными блоками (рис. 6).

Рис. 6. Графическое представление модели корпуса персонального компьютера © Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

Параметры корпуса: размеры - 420х180х410 мм; толщина стенок - 1 мм (на практике колеблется от 0,6 до 1 мм); материал - сталь (проводимость - 2-106 См/м; относительная магнитная проницаемость - 1000 (в рамках данной работы постоянная величина, т.к. максимальная напряженность магнитного поля значительно меньше напряженности насыщения стали)); с двух сторон корпуса имеются 96 конструктивных отверстий диаметром по 3 мм (рис. 7). Материнская плата и плата видеоадаптера представляют собой многослойную печатную плату размерами 310х240х2,65 мм (расположение платы вертикальное) и 170х200х2,65 мм (расположение горизонтальное), соответственно. Длина исследуемых контуров в каждой печатной плате - 100, 150, 200 мм. Ширина исследуемых контуров (толщина изоляционного слоя печатных плат) - 0,86 мм; материал FR-4 (диэлектрическая проницаемость б=4,9). Ширина межсоединений - 0,25 мм. Величина нагрузки на концах контуров - 50 Ом. Радиатор процессора представлен в виде прямоугольного алюминиевого параллелепипеда размерами 80х80х30 мм. Функциональные блоки компьютера (блок питания, дисковод жесткий диск, CD-ROM) учитывались как отдельные металлические корпуса соответствующих размеров. Внутренняя конструкция и начинка блоков не рассматривались. Внутри корпуса, между функциональными блоками, в три ряда расположены 32 датчика напряженности электрического поля. Электромагнитный анализ ведется в трехмерной области в диапазоне частот от 0 до 1,6 ГГц. Границы области исследования моделируются идеально согласованным слоем и располагаются на расстоянии, при котором они практически не влияют на результаты исследований.

Рис. 7. Конструктивные отверстия в исследуемом корпусе

Также необходимо уточнить путь тока ЭСР, который включает: источник ЭСР; корпус персонального компьютера; провод заземления корпуса компьютера на специальную пластину заземления; проводник, соединяющий пластину заземления и источник ЭСР. В целом такое соединение соответствует требованиям ГОСТ Р 51317.4.2-99. В работе рассматриваются 6 вариантов воздействия ЭСР на корпус персонального компьютера (6 точек). На рис. 7 показаны четыре точки воздействия ЭСР. Два варианта воздействия ЭСР связаны с некоторыми конструктивными изменениями, возможными при

эксплуатации персонального компьютера, в частности, рассматриваются случаи нарушения целостности корпуса-экрана за счет удаления некоторых его частей на передней или задней панели. Эти конструктивные изменения корпуса связаны с установкой и снятием некоторых блоков (например, СD-ROM, сетевые платы со стороны задней панели корпуса и т.п.) (рис. 8).

В целом разработанные имитационные модели позволяют:

- точно воспроизводить конструктивные особенности исследуемых ЭВС;

- провести анализ напряженности электромагнитных полей внутри корпуса исследуемого ЭВС во множестве точек;

- учесть наполненность корпуса ЭВС функциональными узлами;

- анализировать электромагнитные помехи, возникающие в контурах любой конфигурации, в том числе многослойных печатных плат, кабелей и т.п.;

- учесть резонансные эффекты, возникающие внутри корпуса ЭВС при воздействии ЭСР.

а) б)

Рис. 8. Варианты воздействия ЭСР на корпус персонального компьютера: а - нет части передней панели

Рассмотрим результаты численных экспериментов по воздействию ЭСР на персональный компьютер (табл. 2).

Таблица 2

Результаты имитационного моделирования электромагнитных помех в контурах печатных плат при воздействии ЭСР

Точка Максимальная напряженность Максимальная величина

воздействия электрического поля внутри электромагнитной помехи в

ЭСР корпуса, В/м исследуемых контурах, мВ

1 1,2 менее 1

2 4,0 3,2

3 11,0 4,5

4 1,5 1,3

5 90,0 40,0

6 73,0 70,0

Как видим, максимальный уровень электромагнитной помехи при воздействии ЭСР может достигать 70 мВ и наблюдается в контуре длиной 150 мм, расположенном на горизонтальной плате (рис. 9).

U, мВ

A

100 -

J.

-50

50

0

-100

0

10

20

30

40

t, нс

Рис. 9. Электромагнитная помеха в контуре печатной платы

Очень часто, например в офисных помещениях в зимнее время, накопленное напряжение статического электричества достигает 15 кВ (анализ проводился для 3,5 кВ) при использовании синтетических материалов [1,4]. В данном случае величина электромагнитных помех может достигать до 300 мВ, что уже опасно для функционирования современных цифровых элементов.

Результаты проведенного анализа ЭМС персонального компьютера еще раз подтверждают опасность ЭСР для функционирования ЭВС. Поэтому выполнение комплекса защитных мер от ЭСР [10] является жизненно необходимым условием при проектировании и эксплуатации современных ЭВС.

1. В данной работе разработаны имитационные модели и приведен анализ ЭМС ЭВС (на примере персонального компьютера) при воздействии ЭСР. Рассмотренные тестовые примеры показали расхождение результатов моделирования и экспериментальных данных не более 18 %.

2. Результаты анализа показали, что наиболее опасной точкой воздействия ЭСР на персональный компьютер с корпусом ATX является область нижних конструктивных отверстий (точка 4, рис. 7). При характерных значениях ЭСР наибольшая напряженность электрического поля внутри корпуса достигает 11 В/м. Максимальные электромагнитные помехи наблюдаются в наиболее длинных контурах (200 мм) и составляют до 4,5 мВ (ток ЭСР 10 А, напряжение 3,5 кВ).

3. При нарушении целостности корпуса персонального компьютера, в частности, если отсутствует часть задней панели, напряженность электрического поля внутри корпуса в целом изменяется в диапазоне 10-70 В/м. Максимальная напряженность наблюдается в средней области корпуса и составляет около 73 В/м. Максимальное значение помехи в контуре длиной 150 мм составляет 70 мВ.

4. При использовании синтетических материалов напряжение накопленного статического заряда может достигать 15 кВ, при этом максимальные электромагнитные помехи в контурах печатной платы составят приблизительно 300 мВ. В связи с тем, что электромагнитная помеха данного порядка величины представляет опасность для нормального функционирования современной электроники, то необходимо уделять должное внимание состоянию корпуса вычислительной системы.

Выводы

Summary

The top level of the automated control systems of objects of power is under construction on the basis of electronic computing means - personal computers which should meet showed requirements on electromagnetic compatibility. The analysis of electromagnetic compatibility of a personal computer at influence of the electrostatic discharge by imitating modeling is spent in the article.

Литература

1. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытания: ГОСТ Р51317.4.2-99. М.: ИПК Изд. стандартов, 2000. 20 с.

2. Гизатуллин З.М., Чермошенцев С.Ф. Средства и модели для анализа воздействия электростатического разряда на функционирование цифровых элементов электронных средств // Информационные технологии. 2005. №9. С.46-54.

3. Lau L., Walter M. State of the art of 3D EMC field simulation // Proceeding of IEEE International symposium on electromagnetic compatibility, 2006, Zurich. P.2-76.

4. Кузьмин В. И., Кечиев Л. Н. Электростатический разряд и электронное оборудование: Учебное пособие. М.: Изд. МГИЭиМ, 1997. 83 с.

5. Centola F., Pommerenke D., Kai W. ESD excitation model for susceptibility study // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Boston, 2003. P. 58-63.

6. Fung L.C., Leung W.S., Chan K.H. Analysis of ESD effect due to non-linearity of metallic enclosures // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2001. P. 345-349.

7. Huang Y., Wu T. Numerical and experimental investigation of noise coupling perturbed by ESD currents on printed circuit boards // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Boston, 2003. P. 43-47.

8. Electromagnetic interference induced on a transmission line by an electrostatic discharge inside metallic enclosures / G. Cerri, R. De Leo, V. Mariani Primiani, M. Palmucci // Proceedings of the 13th International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Zurich, 1999. P. 83-86.

9. Cerri G., De Leo R., Mariani Primiani V. Coupling between common mode ESD and transmission lines inside shielded enclosures // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Montreal, 2001. P. 92-95.

10. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. М.: Издательский Дом Технологии, 2005. 352 с.

Поступила в редакцию 12 февраля 2008 г.

Гизатуллин Зиннур Марселевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Конструирование и производство ЭВА» Казанского государственного технологического университета им. А.Н. Туполева. Тел. 8-905-3134357. Е-mail: gzm@kipeva.kstu-kai.ru; gzm_zinnur@mail.ru.