Ослабление влияния электростатического разряда витком меандровой линии с лицевой связью
Носов А. В.
Постановка задачи: современные тенденции в развитии радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) заставляют проектировщиков уделять особое внимание электромагнитной совместимости (ЭМС). Это связано с повышением быстродействия и уменьшением рабочих напряжений и геометрических размеров элементов РЭА. Все это существенно снижает стойкость РЭА к перенапряжениям.
Одной из причин таких перенапряжений является электростатический разряд (ЭСР), который может приводить к частичному или полному отказу РЭА и прерыванию ее функционирования.
Опасность воздействия ЭСР на РЭА усугубляется тем, что традиционные устройства защиты имеют такие недостатки, как малые быстродействие и мощность.
Кроме того, у традиционных устройств защиты ограниченный ресурс срабатываний, а также, из-за полупроводниковых компонентов в их составе, они в большой степени подвержены влиянию радиации.
Это неприемлемо, например, для космической отрасли, из-за необходимости повышения срока активного существования космических аппаратов до 15 лет.
В этой связи, необходим поиск новых подходов к защите РЭА, лишенных таких недостатков.
Цель работы: показать возможность ослабления влияния электростатического разряда витком меандровой линии (МЛ) с лицевой связью.
Используемые методы: использован подход, включающий анализ, структурно-параметрическую оптимизацию эвристическим поиском, а также вычислительный (с применением разных подходов на основе разных численных методов) и натурный эксперименты.
Новизна: новизна заключается в использовании искажений в МЛ задержки впервые с целью ослабления влияния ЭСР.
Впервые для этого использованы наличие перекрестной наводки и различие скоростей распространения мод в МЛ с лицевой связью.
Результат: выполнен детальный анализ влияния геометрических параметров МЛ с лицевой связью на форму и амплитуду напряжения на ее выходе, при воздействии на ее входе источника тока, имитирующего ЭСР. Выявлены и продемонстрированы закономерности влияния отдельно каждого параметра МЛ с лицевой связью на форму напряжения ЭСР на ее выходе.
По результатам анализа сформулированы условия, выполнение которых позволяет разложение пикового выброса ЭСР в МЛ с лицевой связью. Выполнена оптимизация параметров поперечного сечения исследуемой МЛ по критерию разложения ЭСР и минимизации его амплитуды с учетом технологических возможностей типового производства печатных плат.
Полученные геометрические параметры обеспечили ослабление ЭСР в МЛ 1,61 раза.
Согласно стандарту IPC-2221A, постоянный рабочий ток МЛ с полученными оптимальными параметрами может достигать 2,31 А, а напряжение – до 1,1 кВ. В ходе натурных испытаний продемонстрировано уменьшение амплитуды напряжения ЭСР после его прохождения по МЛ за счет разложения его пикового выброса.
Выполнено сравнение полученных различными подходами результатов. Ослабление амплитуды напряжения ЭСР во всех использованных подходах составило не менее 1,6 раза: квазистатическом – 1,61 раза; электродинамическом – 1,66 раза; на основе измеренных S-параметров – 1,73 раза; натурном эксперименте – 1,67 раза.
Практическая значимость: представленное решение может использоваться в критичной радиоэлектронной аппаратуре для защиты от ЭСР и его вторичных эффектов.
Ключевые слова: электростатический разряд, меандровая линия, четная мода, нечетная мода, электромагнитная совместимость, защита.
Введение
Современные тенденции в развитии РЭА заставляют проектировщиков уделять особое внимание ЭМС.
Это связано с повышением быстродействия и уменьшением рабочих напряжений и уменьшением геометрических размеров элементов РЭА. Все это существенно снижает стойкость РЭА к перенапряжениям. Одной из актуальных задач ЭМС является защита РЭА от различных электромагнитных помех, среди которых весьма опасным является ЭСР.
Воздействие ЭСР может приводить к частичному или полному отказу РЭА и прерыванию ее функционирования. Поэтому необходимо применять эффективные меры защиты от ЭСР.
Однако, несмотря на известную опасность ЭСР, не всегда удается обеспечить эффективную защиту от него.
Так, известно, что ЭСР является одной из частых причин выхода из строя и потерь космических аппаратов [1]. Также известно, что вероятность отказа интегральных схем (ИС) при контакте с источником ЭСР составляет порядка 0,619 [2], что говорит о низкой стойкости ИС к разрушающему воздействию внешних разрядов.
Опасность воздействия ЭСР на РЭА усугубляется тем, что традиционные устройства защиты имеют ряд недостатков [3], в частности недостаточное быстродействие и малую мощность. Например, время срабатывания защитного варистора может достигать 25 нс. Кроме того, у традиционных устройств защиты ограниченный ресурс срабатываний, а также, из-за полупроводниковых компонентов в их составе, они в большой степени подвержены влиянию радиации.
Это неприемлемо, например, для космической отрасли из-за необходимости повышения срока активного существования космических аппаратов до 15 лет. В этой связи, необходим поиск новых подходов к защите РЭА, лишенных таких недостатков.
Примечателен подход, основанный на разложении помехового импульса на моды, известный, как модальная фильтрация [4]. Устройства, использующие этот подход, называются модальными фильтрами.
Другим близким подходом является использование модальных искажений для разложения помеховых импульсов в МЛ [5]. Использование МЛ для разложения имеет ряд преимуществ перед модальными фильтрами, которые заключаются в меньшей в 2 раза длине структуры, большем числе импульсов разложения исходного СКИ и даже отсутствии диэлектрика.
Примечательны исследования разложения пикового выброса ЭСР в меандровой микрополосковой линии (МПЛ) [6]. Однако для обеспечения максимального ослабления ЭСР в меандровой МПЛ необходима сильная связь между проводниками, которая достигается за счет малого расстояния между ними, и большая длина линии. Все это затрудняет практическую реализацию такого устройства. Более перспективной структурой для этого видится МЛ с лицевой связью, поскольку в ней связь между проводниками зависит от толщины диэлектрической подложки. Поэтому цель данной работы – показать возможность ослабления влияния ЭСР витком МЛ с лицевой связью.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ влияния изменения параметров поперечного сечения на форму и амплитуду ЭСР на выходе МЛ с лицевой связью и формулировка условия разложения пикового выброса ЭСР на импульсы четной и нечетной мод линии.
2. Оптимизация параметров поперечного сечения МЛ с лицевой связью, с учетом доступных технологических возможностей по критериям разложения пикового выброса ЭСР и минимизации его амплитуды на выходе линии, для последующего изготовления макета.
3. Разработка топологии макета МЛ с лицевой связью с параметрами, полученными после оптимизации, изготовление макета и проведение натурных испытаний.
4. Сравнение результатов, полученных на этапе моделирования с результатами, полученными в ходе натурных испытаний изготовленного макета.
Исходные данные
Поперечное сечение и схема соединений МЛ с лицевой связью представлены на рис. 1, где О и А – опорный и активный проводники, w и t – ширина и толщина проводников, s – расстояние между опорным и активным проводниками, h – толщина диэлектрической подложки, d – расстояние от края структуры до ближнего к нему края проводника, εr – диэлектрическая проницаемость подложки, l – длина структуры, R1=R2=50 Ом, I – идеальный источник тока. Форма тока воздействующего ЭСР принята близкой к третьей степени жесткости по стандарту IEC 61000-4-2 [7]. Исходные параметры МЛ на рис. 1 представлены в таблице 1.
Результаты моделирования
Моделирование выполнено в системе TALGAT [8], в которой реализован расчет матриц погонных параметров линий передачи методом моментов, а также временной отклик методом узловых потенциалов [9].
Проведенные сравнения с другими системами показали удовлетворительное совпадение результатов и пригодность системы TALGAT для расчета матриц погонных параметров структур различной сложности [10]. Также существуют показательные и общедоступные примеры, сравнивающие результаты системы TALGAT и измерений [11], [12], а также электродинамического анализа [13].
Сначала выполнен анализ влияния l на форму и амплитуду ЭСР в конце исследуемой МЛ.
На рис. 2 представлены формы напряжения ЭСР в тракте без МЛ и на ее выходе (узел V3 на рис. 1а) при увеличении l от 0,1 м до 1 м с шагом 0,1 м и от 1 м до 5 м с шагом 1 м.
В таблицу 2 сведены максимальные амплитуды напряжения в узле V3 (Umax) при увеличении l и ослабления относительно напряжения (464,186 В) в тракте без МЛ (далее при моделировании ослабление будет вычисляться аналогично).
Из рис. 2 видно, что при увеличении l до 0,4 м начинают проявляться импульсы 1 и 2. Первый импульс (И1) является перекрестной наводкой на ближнем конце линии, а второй (И2) представляет сумму импульсов четной и нечетной мод линии (рис. 1г). Также присутствуют импульсы, возникшие в результате отражений и пришедшие позже. При этом ослабление ЭСР увеличивается от 1,011 раза до 1,168 раза (таблица 2). При дальнейшем увеличении l до 1 м сливавшиеся ранее импульсы четной и нечетной мод линии (И2 и И3 на рис. 1е соответственно) начинают раскладываться. При этом ослабление уже составляет 1,189 раза. Дальнейшее увеличение l до 5 м увеличивает задержки между тремя основными импульсами, а также ослабление ЭСР в конце линии до 1,385 раза.
Важно отметить, что на рис. 1 наблю- дается разложение только пикового выброса ЭСР (первого выброса, имеющего максимальную амплитуду), а не всего ЭСР, поскольку это нецелесообразно из- за необходимости значительного увеличения длины линии и/или использования диэлектрической подложки с большим значением диэлектрической проницаемости.
Такой характер изменения формы напряжения ЭСР в конце линии обусловлен тем, что четная и нечетная моды линии имеют разные скорости рас- пространения, а также наличием перекрестной наводки на ближнем конце линии.
Продолжение в оригинале: Ссылка на источник: https://sccs.intelgr.com/ Системы управления, связи и безопасности
Читать онлайн статью «Ослабление влияния электростатического разряда витком меандровой линии с лицевой связью»