Методы топологической верификации обеспечения требований электромагнитной совместимости в конструкциях РЭС

МЕТОДЫ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ВЕРИФИКАЦИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

В КОНСТРУКЦИЯХ РЭС

TOPOLOGICAL METHODS OF VERIFICATION TO PROVIDING THE REQUIREMENTS ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY IN THE CONSTRUCTION OF RADIOELECTRONIC MEANS

Рассматривается методика топологической верификации обеспечения требований ЭМС на ПП как один из ключевых этапов при проектировании конструкций РЭС. Предложена укрупненная структура методики проведения верификации. Определено назначение и содержание основных процедур.

The method of topological verification providing the requirements of the EMC on the PCB is considered, as one of the key stages in the development the structural design of radio-electronic means. Enlarged structure of the methodology of verification is proposed. Purpose and content of basic procedures are defined.

Как было отмечено в [1], грамотная разработка топологии печатной платы (ПП) является одним из наиболее действенных методов для обеспечения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) и помехоустойчивости (ПУ) в общей структуре проектирования конструкции радиоэлектронных средств (РЭС). Предлагаемая методика верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на ПП, формализуя и упорядочивая последовательность действий разработчика, позволяет своевременно определять потенциальные проблемы ПУ, находить возможные источники ЭМИ, пути наводок и паразитные антенны. Использование данной методики поможет начинающему специалисту в идентификации наиболее распространенных проблем ЭМС и ПУ, а также поиске способов их решений. Методика полезна и экспертам в области ЭМС, позволяя быстро анализировать огромное количество информации, тем самым концентрируя основное внимание на выявлении специфических проблем. Применение методики на ранних этапах проектирования особо важно в условиях усложнения РЭС, а также сокращения временных резервов на каждом этапе проектирования и позволяет внести изменения с незначительным увеличением стоимости или времени разработки. Основной алгоритм методики верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на ПП представлен на рисунке и состоит из следующих шагов:

1. Чтение файла топологии ПП. Существует большое количество различных САПР трассировки ПП. В подобном программном обеспечении (ПО) в обязательном порядке предусмотрена возможность генерирования выходных файлов, в которых содержится вся необходимая для дальнейшей работы информация. Как правило, файлы топологии ПП содержат информацию о геометрии платы, числе слоев, наименовании и расположении каждого соединения и компонента, длины проводника и его толщины, геометрии питающих и заземляющих шин, расположении и геометрии всех переходных отверстий, посадочных мест и т.п.

^ Копен і

Основной алгоритм методики верификации требований ЭМС и ПУ на ПП

2. Чтение файла библиотеки компонентов. Для получения информации об электрических и конструктивных параметрах компонентов расположенных на ПП используется библиотека компонентов. Так как проектируемое РЭС может содержать несколько ПП, то исходная БД должна включать все используемые компоненты. Однако методика предполагает поочередный анализ каждой ПП, поэтому для уменьшения аппаратных ресурсов создается локальная версия библиотеки компонентов, содержащая только те компоненты, которые необходимы при анализе текущей ПП. Пользователь имеет возможность изменения локальной версии библиотеки для включения, при необходимости, специфической для конкретной ПП данных или изменения параметров некоторых компонентов, с целью оценки их влияния на свойства системы.

3. Чтение файла особенностей ЭМС. Разработка ПП для различных задач может требовать разных принципов трассировки. Например, стоимость и рассеиваемая мощность могут иметь важное значение для высокоскоростных компьютерных рабочих станций, в то время как надежность и вес более важны при разработке для авиакосмической отрасли. Таким образом, не все ПП используют одинаковые топологические критерии и методика должна быть адаптируемая под приоритеты заказчика, что достигается конкретизацией требований ЭМС и ПУ в файле особенностей ЭМС.

4. Чтение файла результатов моделирования схемы. Если некоторые цепи ПП уже были проанализированы с использованием моделирующего ПО, то данный файл позволяет использовать информацию о соответствующих параметрах цепи (время нарастания сигнала, Vmax, Imax) для дальнейшего анализа и тем самым снизить вычислительную нагрузку в последующих процедурах.

5. Сетевая классификация предназначена для определения электрических характеристик соединений и сигналов на ПП, на основе ранее прочитанных файлов. Методика сетевой классификации предусматривает описание каждой цепи на ПП по 17 параметрам, которые записываются в соответствующие атрибуты и используются для анализа на последующих этапах. Методика проведения сетевой классификации на печатном узле представлена набором процедур и будет рассмотрена в дальнейших публикациях.

6. Просмотр и правка пользователем информации о соединениях и при необходимости внесение корректировок или недостающих данных.

7. Формирование списка частот и частотных диапазонов, присутствующих на ПП, проводится на основе нахождения тактовых частот, частот сигналов и их гармоник. В дальнейшем данный список используется для анализа электромагнитных процессов на различных частотах. Методика формирования частот и частотных диапазонов представлена набором процедур и будет рассмотрена в дальнейших публикациях.

8. Оценка шумов в шинах питания, характерных для высокоскоростных цифровых устройств, производится путем идентификации развязывающих конденсаторов и определения их индуктивности, нахождения времени нарастания/спада сигнала, вычисления выбросов питающего тока и его спектральных составляющих. Методика оценки шумов в шинах питания ПП представлена набором процедур и будет рассмотрена в дальнейших публикациях.

9. Анализ помехоустойчивости позволяет оценить устойчивость ПП к перекрестным помехам, к шуму питающих цепей, к электростатическому разряду (ЭСР) и к магнитному полю. Методика анализа ПУ ПП представлена набором процедур и будет рассмотрена в дальнейших публикациях.

10. Анализ эмиссии ЭМИ от ПП основывается на комплексной оценке эмиссии дифференциальных и синфазных помех, эмиссии от подключенных кабелей I/O и эмиссии от шин питания. Методика анализа эмиссии ЭМИ от ПП представлена набором процедур и будет рассмотрена в дальнейших публикациях.

11. Формирование правил трассировки с учетом ЭМС и ПУ. При проектирова-

нии ПП соблюдение определенных принципов разработки часто помогает сохранять минимальные уровни излучения или решать проблему ПУ. Например, высокоскоростные линии должны быть сделаны как можно короче и не должны располагаться вблизи проводников, соединяющих плату с внешними модулями. Большие металлизированные области на ПП не должны находиться в абсолютной изоляции, а быть подключены к заземлению. Разъемы не должны быть размещены на противоположных краях ПП. Более подробно данный вопрос освещен в [2].

Очевидно, что для разных ПП применяются разные наборы правил трассировки и пользователю необходимо дать возможность самостоятельно создавать наборы требуемых правил трассировки и дополнительных параметров. Разумеется, полезным является наличие готовых наборов принципов для типовых конструкций РЭС.

12. Сообщение о проблемах помехоустойчивости. Алгоритм оценки ПУ определяет характер проблемы, компоненты и/или соединения, вызывающие ее, и проводит ранжирование по степени важности. Пользователь, выбрав соответствующую проблему в списке, может визуализировать на схеме ПП соединения и/или компоненты, являющиеся источником проблемы. Типовыми сообщениями о проблемах ПУ являются:

Проблема перекрестных помех — энергия от соединения «цепь1» может влиять на соединение «цепь2», вызывая недопустимые уровни перекрестных помех. Эти соединения должны быть разнесены дальше друг от друга или размещены с разных сторон относительно слоя питания/заземления.

Проблема чрезмерных шумов шины питания — сигнал в соединении «цепь1» может быть искажен из-за чрезмерных шумов в питающей шине. Может потребоваться дополнительная развязка или улучшение изоляции от шины питания.

Потенциальная проблема ЭСР — токи ЭСР, протекающие от «компонента!» к «компоненту2», могут искажать сигнал в «цепь1». Проблемы не возникнет если «компоненті» или «компонент2» не проводят токи ЭСР или если переходные процессы в соединении «цепьі» не мешают нормальной работе системы.

Потенциальная проблема устойчивости к магнитному полю — сигналы в соединении «цепьі» могут быть подвержены помехам от окружающего магнитного поля. Для устранения проблемы должна быть уменьшена площадь петли, образуемая этим соединением и его возвратным путем.

13. Построение графика эмиссии ЭМИ, количественно показывающего ожидаемую степень излучения от ПП на различных частотах. Выбрав определенную область графика, пользователь может получить детализированную сводку о количественном вкладе различных помехообразующих механизмов в данном частотном диапазоне. График эмиссии ЭМИ типовой ПП состоит из узкополосных пиков, расположенных поверх широкополосного шума, и позволяет оценить границы, в которых ПП соответствует требованиями ТЗ или НТД, а также доверительную вероятность результатов анализа. Предусмотрена возможность экспорта данных, представленных на графике, в стандартный формат для дальнейшего анализа или презентаций.

14. Сообщение о нарушении правил трассировки выводится в соответствующем окне. Пользователь, выбрав соответствующее нарушение в списке, может визуализировать на схеме ПП соединения и/или компоненты, вызвавшие данное нарушение. Типовым сообщением о нарушении правил трассировки является:

Нарушение правил установки разъема — разъемы «Х1» и «Х2» расположены на разных сторонах ПП. Такая компоновка нежелательна на практике, поскольку компоненты и цепи, расположенные между двумя разъемами, могут создавать значительную разность потенциалов в присоединенных кабелях. По возможности разъемы должны быть расположены на одной или смежных гранях ПП.

15. Определение критических параметров топологии ПП на основе анализа оце-

нок ЭМП, полученных в результате выполнения аналитических процедур методики. В качестве граничного значения выбрана величина напряженности 10мкВ/м, и при ее превышении на каком-либо этапе соответствующие данные (частота, компонент, цепь и т.д.) сохраняются. Пользователь, выбрав соответствующий критический параметр в списке, может визуализировать на схеме ПП соединения и/или компоненты, вызвавшие данное превышение.

16. Рекомендации по изменению топологии, которые помогут уменьшить уровень эмиссии ЭМИ, улучшить показатели ПУ или скорректируют нарушенные правила трассировки. В зависимости от типа возникающей проблемы пользователю могут быть предложены следующие типовые варианты устранения проблемы.

Уменьшение излучения от проводника — эмиссия ЭМИ от соединения «цепь» достаточно велика. Это излучение может быть ослаблено путем уменьшения длины проводника, уменьшения импеданса возвратного пути тока или амплитуды сигнала в данном проводнике на данной частоте.

Уменьшение излучения от токозависимых помех — цепь между «компонентом!» и «компонентом2» возбуждает их подобно антенне, что может привести к значительному излучению помех. Необходимо убедиться, что соединение между этими компонентами не проходит над зазором в заземляющем слое. Также для уменьшения эмиссии ЭМП может потребоваться перемещение данных компонентов или соединения между ними.

Уменьшение излучения от наводок на цепи входа-выхода — сигнальное соединение «цепь1» энергетически влияет на соединение входа/выхода «цепь2», вызывая распространение сигнала за пределы ПП. Соединение «цепь1» и соединение «цепь2» должны быть разнесены дальше друг от друга или размещены с разных сторон относительно слоя питания/заземления.

Уменьшение излучения от вольтзависимых помех — помеховая связь между радиатором на «компоненте» и корпусом устройства может привести к значительному излучению помех на определенных частотах. Для устранения эмиссии ЭМИ возможно использование радиатора иной конфигурации, соединение радиатора с корпусом, применение компонентов с большим количеством выводов питания/заземления или увеличение времени нарастания сигнала, который вызывает помехи от этого компонента.

Предложенная укрупненная методика топологической верификации обеспечения требований ЭМС и ПУ на ПП является одним из важных этапов комплексной методологии сквозного проектирования конструкций РЭС с учетом ЭМС и ПУ. В соответствии с принципами, изложенными в [3], методика позволяет спрогнозировать ЭМС-поведение печатного узла и принять необходимые проектные решения на этапе топологического проектирования, тем самым минимизировать вероятность последующих итерационных доработок вызывающих увеличение стоимости и сроков разработки изделия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Веревкин Д. А., Макаров О.Ю., Ромащенко М. А. Комплексные методы обеспечения электромагнитной совместимости и помехоустойчивости электронных систем при сквозном проектировании // Радиотехника. — 2012. — № 2. — С. 22—27.

2. Ромащенко М.А. Топологическое проектирование ПП со смешанными сигналами с учетом обеспечения электромагнитной совместимости и электромагнитной устойчивости // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2011. — Т. 7. — № 10. — С. 92—97.

3. Ромащенко М.А. Основные процедуры и программа планирования обеспечения ЭМС при разработке электронной аппаратуры // Радиотехника. — 2013. — № 3. — С. 93—97.

REFERENCES

1. Verevkin D.A., Makarov O.Yu., Romaschenko M.A. Kompleksnyie metodyi obes-pecheniya elektromagnitnoy sovmestimosti i pomehoustoychivosti elektronnyih sistem pri skvoznom proektirovanii // Radiotehnika. — 2012. — № 2. — S. 22—27.

2. Romaschenko M.A. Topologicheskoe proektirovanie PP so smeshannyimi sig-nalami s uchetom obespecheniya elektromagnitnoy sovmestimosti i elektromagnitnoy ustoy-chivosti // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. — 2011. — T. 7. — № 10. — S. 92—97.

3. Romaschenko M.A. Osnovnyie protseduryi i programma planirovaniya obespecheniya EMS pri razrabotke elektronnoy apparaturyi // Radiotehnika. — 2013. — № 3. —

S. 93—97.