ЭМС-проектирование на основе эксплуатационных параметров

ЭМС-проектирование на основе эксплуатационных параметров

Когда разработчик проектирует электронное изделие один из вопросов, встающих перед ним – как узнать, что разработка будет соответствовать всем необходимым ЭМС-требованиям? Требуется ли установка дополнительных компонентов и будет ли этого достаточно? Необходимо ли экранирование и если да то локальное или в виде экранирующего корпуса?

Очевидно, что ответы на эти вопросы будут зависеть от требований к изделию в части электромагнитной совместимости. При этом разработчик может руководствоваться нормативными требованиями для внутреннего рынка или для стран Европы, для гражданского или военного использования. Кроме того, требуется учесть параметры электромагнитной обстановки в которой планируется эксплуатировать проектируемое изделие (так требования для внешнего поля напряженностью 10 В/м существенно отличаются от поля напряженностью 100 В/м).

По большей части существующие методы ЭМС-проектирования не имеют непосредственной связи с конструктивным требованиям. Рекомендации по проектированию играют большую роль, но они редко привязаны к определенным эксплуатационным характеристикам в части электромагнитной совместимости. Цель данного проекта состоит в разработке базовых моделей и проектных процедур, позволяющих разработчику получать конструкторские решения высокого качества на внутриаппаратурном и внутрисистемном уровнях, основываясь на фактических эксплуатационных параметрах и соответствующих нормативных требованиях в области электромагнитной совместимости.

Развитие проекта начиналось с создания экспертной системы ЭМС-анализа, на основе алгоритмов поиска потенциальных проблем в части электромагнитной совместимости, имитирующих работу ЭМС-инженера при оценке печатной платы. В ходе разработки выяснилось, что в случае реального эксперта он в значительной степени полагается на «практические правила» сформировавшиеся на основе его опыта работы с предыдущими проектами. Обучение компьютерной системы подобным правилам оказалось не эффективным и малорезультативным, поскольку их слепое использование часто приводило к неработоспособным вариантам. С другой стороны применение вычислительной техники позволяет отказаться от подобных правил и рекомендаций, поскольку становится возможным проведение в реальном времени достаточно сложных вычислений. Так, например, эксперт в своей работе может использовать правило, которое гласит «необходимо наличие расстояния минимум в 5 мм между печатными проводниками задающего генератора и цепей ввода/вывода». Применение программного комплекса позволяет точно рассчитать величину перекрестных помех способных возникать в данной конфигурации и затем спрогнозировать наихудшие последствия подобных наводок.

Результатом развития экспертной системы ЭМС-анализа стала разработка методики определения максимальных излучаемых помех, позволяющая оценить величину излучаемой эмиссии, создаваемой определенной структурой источник/путь-наводки/антенна на печатной плате. В случае если в анализируемой системе присутствуют неизвестные параметры, то предполагается наихудший случай. Например, в случае наличия присоединенного кабеля или металлического корпуса с неизвестными размерами, анализ проводится в предположении, что эти структуры оптимизированы под максимальное излучение. Если время нарастания/спада цифровых сигналов неконтролируемо или неизвестно, то для анализа принимается наименьшее возможное время (как правило, определяемое компонентной базой). Даже при столь жестких условиях очень немногие структуры источник/путь-наводки/антенна на качественной печатной плате будут в действительности способны создавать проблемы с излучаемыми помехами. Методика определения максимальных излучаемых помех подразумевает перебор тысячи комбинаций и быстрое определение потенциально проблематичных компонентов и структур на плате.

Особенностью данной методики является возможность привязки параметров конструкции непосредственно к требованиям по излучаемой эмиссии для изделия. Таким образом, в зависимости от необходимости удовлетворения тех или иных нормативных требований по излучению, конструкторские рекомендации формируемые методикой могут быть различными. Кроме того подобный подход может быть перенесен и на другие аспекты ЭМС, включая восприимчивость к переходным процессам, ВЧ восприимчивость, кондуктивные помехи. Например, в случае поля с частотой 100 МГц и напряженностью 10 В/м падающего на изделие с присоединенными кабелями, типовой ЭМС тест предполагает создание максимальной мощности в 6 Вт. В зависимости от конфигурации устройства и платы эта мощность может быть переведена в фактическое максимальное напряжение и ток в любой цепи системы. Сравнивая данные значения с известными уровнями устойчивости каждого компонента или цепи возможно нахождение потенциально уязвимых участков для подобного воздействия.

Методика основана на моделях в закрытой форме, что позволяет проанализировать десятки тысяч возможных взаимодействий за короткое время. Применение подобной методики позволяет гарантировать, что дополнительная стоимость и усилия связанные с применением экранов, фильтров и других профилактических мер в части электромагнитной совместимости, являются действительно необходимыми и выполнение нормативных требований без них невозможно. В конечном итоге, проектируемое изделие, удовлетворяющее всем критериям методики, в процессе тестирования будет с первого раза соответствовать всем предъявляемым ЭМС-требованиям.