Индивидуальные сглаживающие конденсаторы

Индивидуальные сглаживающие конденсаторы (ИСК) устанавливают между шинами питания и “ корпус ” непосредственно возле точек присоединения электронной схемы к этим шинам. Зачастую ИСК ставят прямо на выводы микросхем, хотя целесообразнее использовать специальные шины питания, на которые удобнее ставить конденсаторы и сама шина играет роль конденсатора с малым электрическим сопротивлением выводов.

Рис.12 Параллельное подключение элементов

Будучи заряженным до значения источника напряжения, ИСК является как бы индивидуальным источником питания схемы, максимально приближенным к ней физически.

В электронной аппаратуре используются два вида ИСК:

- Устанавливаемые непосредственно у каждой микросхемы

- Устанавливаемые на группу микросхем в пределах одной ячейки, модуля, ТЭЗ.

Первый тип ИСК предназначен в основном для “сглаживания” импульсных помех в момент переключения микросхемы за счет локализации цепи протекания бросков тока в цепи микросхема®ИСК. В качестве таких ИСК используют обычно обладающие малой собственной индуктивностью керамические конденсаторы.

Емкость С_иск выбирают, исходя из условия равенства заряда, накапливаемого конденсатором за время переключения микросхемы, заряду, переносимому выбросом тока за время переключения элемента.

Рис.13. Частичное распараллеливание элементов

Другой тип ИСК, устанавливается на группу микросхем и предназначен для компенсации бросков тока в системе электропитания. Это обычно электролитические конденсаторы большой емкости (обеспечивающие исключение резонансных явлений в цепях питания и выполняющие роль фильтра).

Распараллеливание элементов

Рис.14. Полное распараллеливание элементов

Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания возможно несколькими путями, в том числе и распараллеливанием. Этот метод заключается в установке дополнительных перемычек в шинах питания и “ корпус ”, которые уменьшают длину общих участков протекания токов элементов.

На рисунках 12,13,14 представлены три варианта соединения элементов шиной питания и “ корпус ”.

В первом варианте (12) переключение элемента, например Э₆ (изменение тока потребления схемы), приводит к возникновению паразитной наводки в остальных семи элементах по шине питания и “ корпус ”.

Во втором варианте (13) эта помеха в худшем случае воздействует только на три элемента.

В третьем варианте (14) помеха еще более уменьшается за счет введения дополнительных перемычек (распараллеливания).

Указанный метод с одной стороны уменьшает длину общих участков протекания токов, с другой - по трудоемкости и материалоемкости приближается к радиальному способу разводки.

Распределение токов

Указанный метод несколько похож на предыдущий, поскольку в обоих методах уменьшаются сопротивления цепей питания и сокращаются участки с общими токами элементов. Однако конструктивная реализация разная.

Метод распределения токов основан на использовании электропроводящего листа в качестве "земли". Использование металлического листа в качестве “земли” позволяет использовать несущие конструкции в качестве шины питания. Тем более, что ввиду достаточной толщины у таких шин питания малое омическое сопротивление и распределение токов более равномерное. Этот метод рекомендуется для элементов второго уровня конструктивной иерархии (субблоков, блоков, панелей) и заключается в установке в эти конструктивные элементы сравнительно толстого металлического листа, к которому припаивают обратные провода от всех закрепленных ячеек или модулей.

Этот прием применим в случае использования многослойных печатных плат для сверхбыстродействующих устройств. В таких платах отдельные слои изготовляют с максимально большой площадью металла и применяют их в качестве шин питания (эти слои следует размещать внутри многослойной платы). При использовании сплошных металлических слоев значительно уменьшаются собственное индуктивное сопротивление шин питания, общие участки протекания токов различных элементов и увеличивается взаимная емкость между шинами питания.

Экранирование

Экранирование направлено на обеспечение ЭМС источника и рецептора помех. Приемы экранирования рецептора зависят от их чувствительности к тем или иным полям.

1. Поле от источника с высоким волновым сопротивлением. Для них эквивалентная схема или модель может быть представлена в виде штыря (антенна-штырь). В окрестностях этого штыря формируются относительно интенсивное электрическое поле (ЭП) и слабое магнитное поле (МП).

Как известно, Z = Uп / Iп . Поскольку электрическое поле вызывает напряжение, а магнитное вызывает ток, получается, что большое ЭП и малое МП обеспечивают высокое волновое сопротивление Z (Z = Е / Н).

2. Поле от источника с малым волновым сопротивлением. Модель может быть представлена в виде токовой петли. При этом возникает интенсивное магнитное и слабое электрическое поля. Модели указанных источников помех представлены на рисунке 15.

Рассмотрим поведение указанных полей от расстояния (рисунок 16). Возможны различные расстояния от источника до рецептора помех, начиная от сотен километров (грозовой разряд, мощный передатчик) и заканчивая долями метра, если рассматривать пространство внутри аппарата.

Для первого типа источников (с высоким волновым сопротивлением) основная составляющая – электрическая – убывает пропорционально 1 / r3. Дополнительная – магнитная – пропорционально 1 / r2. Для источников второго типа (с низким волновым сопротивлением) ситуация обратная. Магнитная составляющая убывает пропорционально 1 / r3, а электрическая – пропорционально 1 / r2. В конце концов волновое сопротивление Z становится равным 377 Ом, т.е. волновому сопротивлению свободного пространства.

Отсюда выделяются две зоны действия источников и, соответственно, способы экранирования.

1. Ближняя зона. Здесь преимущественно действует механизм эмиссии с достаточно четким разделением на магнитную и электрическую составляющие.

2. Дальняя зона – зона действия плоской электромагнитной волны (Т-волны).

Таким образом, при анализе экранирования необходимо разделять задачи локализации электрического, магнитного и электромагнитного полей.

Электростатическое экранирование в ближней зоне. Электрическое и магнитное поля рассматриваем как квазистатические. Выводы, полученные для статического случая, не противоречат выводам в некотором диапазоне частот.

Рис. 18. Экранирование источника Рис. 19. Экранирование рецептора

В электрическом поле в экране индуцируются заряды. При заземлении экрана заряды стекают и нейтрализуются. При отсутствии заземления экран может быть переизлучателем поля источника (примером являются переизлучающие пассивные телевизионные антенны в городских условиях, рисунок 17).

Эффективность экранирования от расстояния до экрана поясняется рисунком 18 и 19. Экран необходимо устанавливать как можно ближе к источнику. Тогда эффективность экранирования максимальна, так как емкость С₁ получается максимальной, а сопротивление R₁ минимальным. В конструкциях ЭС эта рекомендация может быть выполнена, когда источник находится в пределах устройства. Когда же источник находится вне пределов досягаемости или невозможно экранировать источник, экранируют рецептор.

Эффективность экрана зависит в значительной мере от материала экрана, конструкции экрана и узла заземления. Основное требование к материалу экрана – максимальная проводимость. Этому требованию лучше всего удовлетворяют медь и медные сплавы, серебро и алюминий. Особых требований к толщине материала не предъявляется, однако необходимо помнить, что с увеличением толщины увеличивается проводимость экрана и, следовательно, увеличивается скорость стекания заряда. Узел заземления также должен обладать минимальным сопротивлением. При заземлении прибора приходится использовать разъемные соединения. Наилучшим решением является винтовое соединение, обеспечивающее усилие, достаточное для минимального сопротивления. Конструкция экрана не должна содержать щелей, отверстий, мест стыка и тому подобных неоднородностей, ориентировка которых препятствует протеканию тока в цепях заземления (рисунок 20, вариант исполнения 1). Если необходимо выполнить отверстия или жалюзи, например, для охлаждения или регулировки, то они должны быть расположены вдоль линий токов (рисунок 5, вариант исполнения 2).

Рис.20. Варианты исполнения отверстий в экране (корпусе): 1 - неправильно, 2 - правильно

При использовании пластмассовых корпусов приборов можно применять композиционные материалы (пластмасса с металлическим наполнителем) или наносить на поверхность слои металла (напылением, окраской, оклейкой фольгой и т.п.).

Магнитостатическое экранирование. Механизм работы магнитостатического экрана заключается в шунтировании силовых линий магнитного поля (рисунок 21 и 22).

Рис. 21. Экранирование источника Рис. 22. Экранирование рецептора

Установка экрана производится по возможности вблизи источника. Очевидно, что для обеспечения эффективной работы заземлять магнитный экран не надо. Эффективность экранирования прямо пропорциональна магнитной проницаемости μ и толщине экрана t.

Следует применять материалы, имеющие максимальную магнитную проницаемость μ. Это стали, различные пермаллои и соответствующие магнитные сплавы с высоким значением μ.

Требования к конструкции экрана такие же, как и к конструкции электростатического экрана, и неоднородности не должны препятствовать силовым линиям магнитного поля.

Электромагнитное экранирование. Рассмотрим работу экрана при падении на него плоской электромагнитной волны.

Эффективность экранирования

S = 20 lg (E₁ / E₂), дБ. (8)

Коэффициент экранирования

S = 20 lg (1 / K_экр ). (9)

где K_экр = Е₂ / Е₁;

Для расчета эффективности через параметры экрана существует формула:

S = R + P + B, дБ, (10)

где R – составляющая, определяющая отражение от границы раздела при входе волны в экран;

P – определяет эффективность экранирования за счет поглощения электромагнитной волны в толще экрана;

B – характеризует потери за счет многократных отражений в толще экрана.

Наблюдается три среды, например, воздух, металл и снова воздух. По сути, имеем структуру диэлектрик-металл-диэлектрик.

Волновое сопротивление среды

. (11)

Для металла выражение будет иметь вид:

. (12)

Для диэлектрика

. (13)

Знак ± описывает падающую и отраженную волны. В нашем случае, для воздуха:

Одна из возможных моделей для анализа экрана – это модель длинной линии. Коэффициент прохождения электромагнитной волны через экран:

K_пр = 1 – K_отр .

Суммарный коэффициент прохождения через экран

К_Σпр = K_1пр K_2пр ;

. (14)

При этом потери отражения оцениваются следующим образом:

R = 20 lg (1 / K_Σпр ). (15)

Для металлического экрана Z₁ >> Z_{2 ,} отсюда

K_Σпр = 4 Z₂ / Z₁. (16)

Потери на поглощение экраном электромагнитной энергии зависят от величины скин-слоя, который в свою очередь зависит от частоты и толщины экрана. Эффективность электромагнитного экрана сильно зависит от частоты. Наилучший эффект достигается, когда толщина экрана не менее диаметра вихревого тока, а материал обладает высокой проводимостью.

, (17)

, дБ, (18)

где δ - величина скин-слоя;

σ - проводимость;

t – толщина экрана.

Рис. 23. Зависимость суммарной потери от частоты

Величина B на практике мала в виду малой толщины экрана и составляет порядка 2…3 дБ.

Таким образом суммарные потери

S = R + P. (19)

В точке А эффективность электромагнитного экранирования минимальна.

Для электрических составляющих в целом справедливы ранее указанные правила, но добавляется эффект отражения электрического поля.

Для магнитной составляющей основной вклад вносят потери на поглощение, и с повышением частоты в большей степени проявляется эффект вытеснения магнитного поля. Это происходит за счет генерации вихревых токов в экране, поле которых и вытесняет падающую электромагнитную волну.

Рис. 24. Выполнение отверстий в электромагнитном экране

Необходимость отверстий в экране представляет собой значительную проблему, поскольку эффективность экранирования резко падает. Наиболее часто применяют специальную конструкцию отверстия, которое называют "запредельным волноводом". Подобные отверстия можно выполнить путем вытягивания металла или вставкой втулок. При этом образуется волновод с определенной частотой среза. Частота среза для волновода круглого сечения

, Гц. (20)

Эффективность такого волновода можно оценить по формуле

S_в = 32· l/d , ДБ. (21)

Итак, мы выяснили, что расчет эффективности экранирования некоторой области внутри структурного образования ЭС зависит от характера электромагнитного поля. Вблизи источника излучения (при расстояниях менее 5λ) поле не сформировано и может преобладать либо магнитная, либо электрическая составляющие поля. В этом случае расчет экранирования сводится к определению ослабления электрической, либо магнитной составляющей поля. В дальней зоне (при расстояниях более 5λ) поле сформировано, и задача экранирования решается относительно электромагнитного поля.

Список литературы

1. Нистюк А.И. Этапы разработки электронных средств и конструкторская документация : Учеб.-метод. пособие / А.И. Нистюк, С.В. Клишин.- Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2008.- 36 с.

2. Экранирование в конструкциях РЭС : Метод. указ. / Н.А. Кольтюков, О.А. Белоусов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн.ун-та, 2007. – 16 с.

3. Уилльямс Т. ЭМС для систем и установок / Т. Уилльямс, К. Армстронг ; пер. с англ. – М. : Издательский Дом "Технологии", 2004. – 508 с.

4. Кечиев Л.Н. Электромагнитная совместимость и информационная безопасность в системах телекоммуникаций / Л.Н.Кечиев, П.В. Степанов. – М. : Издательский Дом "Технологии", 2005. – 320 с.

5. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А.М. Медведев. – М. : Техносфера, 2005. – 304 с.