Начало

И так, это продолжение статьи об импульсных помехах, приводящих к непредсказуемому поведению цифровых устройств. После того, как у меня появились проблемы с мерцанием младших разрядов, я начал искать соответствующую литературу. Из всего мной прочитанного, я хочу предложить вам, на мой взгляд, не очень нудную, но очень содержательную и полезную статью. Данная статья была опубликована в журнале «Схемотехника» за 2004 год. Автор статьи — Алексей Кузнецов.

Источников помех, способных вызвать сбой или отказ устройства, существует бесчисленное множество. Однако наиболее часто встречаются следующие помехи:

● наносекундные помехи, которые, как правило, бывают вызваны срабатыванием механических контактов выключателей и реле. В зарубежной литературе этот вид помех называется EFT — Electric Fast Transients;
● микросекундные помехи, связанные с работой реактивных элементов в цепях мощных нагрузок (зарядка конденсаторов, а также отдача энергии, накопленной в обмотках моторов, соленоидов и пр.). В зарубежной литературе этот вид помех называется surge;
● помехи от электростатических разрядов; в основном это помехи, возникающие при касании «наэлектризованным» человеком различных электрических цепей. В зарубежной литературе этот вид помех называется ESD — Electrostatic Discharge;
● помехи, вызванные работой близко расположенных радиопередатчиков;
● помехи от мощных природных или искусственных источников энергии, прежде всего от грозовых разрядов. Существуют российские и международные стандарты, оговаривающие
требования к электромагнитной совместимости (ЭМС). Стандарты аккумулируют многолетний инженерный опыт. Однако сами по себе стандарты являются тяжело усваиваемым материалом, малопригодным для непосредственного руководства при проектировании или анализе поведения устройств. Стандарты разработаны таким образом, чтобы при испытании устройств достаточно аккуратно имитировать реальные помехи. Целесообразно все помехи разделить на три абстрактных типа:
● наносекундные помехи (НП);
● мощные помехи (МП);
● радиочастотные помехи (РП).
Практически все реальные помехи
могут быть представлены как комбинации этих трех абстрактных. Например, EFT помехи — это пачки наносекундных помех НП, а ESD — это комбинация одиночной НП и одиночной МП. Поэтому если устройство устойчиво ко всем трем абстрактным типам помех, то с высокой степенью
вероятности оно будет устойчиво и к реальным помехам, независимо от их происхождения.
Вопрос устойчивости к МП в большой степени является вопросом обеспечения надежности, пожара и электробезопасности. Устойчивость к МП и РП в данной статье не рассматривается.
Наносекундные помехи
Этот тип помех является причиной большинства сбоев. При всем своем разнообразии наносекундные помехи обладают некоторыми общими свойствами:
● одиночная НП — это почти дельта-функция, у нее чрезвычайно широкий спектр (до единиц гигагерц);
● НП имеет ничтожную энергию, в отличие от МП она, как правило, не «выжигает» радиоэлектронные устройства, а вызывает обратимый сбой;
● сбиваться могут только устройства, обладающие памятью, такие как микропроцессоры, счетчики и пр. Для чисто комбинационных цифровых узлов понятие «сбой» теряет смысл, так как они автоматически возвращаются в нужное состояние по окончании НП. Заметим, что аналоговые цепи тоже могут обладать «памятью» в виде емкостей или индуктивностей. Чтобы лучше представить себе этот тип помех, полезно обратиться к стандарту МЭК 61000-4-4 (ГОСТ Р 51317.4.4-99). В нем сказано, что EFT помехи должны имитироваться пачками треугольных импульсов. Длительность переднего фронта у каждого импульса — 5 нс, длительность импульса — 50 нс на уровне 50 %. Внутреннее сопротивление генератора импульсов составляет 50 Ом, генератор должен быть заземлен. Амплитуда НП-импульсов зависит от того, к какому классу по помехоустойчивости должно относиться испытуемое устройство, а также от того, куда подаются импульсы при испытании (табл. 1).

Возможны испытания и более жесткие, чем указаны в таблице, если это требуется по условиям эксплуатации прибора. Однако в подавляющем большинстве случаев перечисленных в таблице степеней жесткости достаточно. Самые легкие испытания применяются к бытовой технике, самые жесткие — к промышленным и бортовым устройствам. В линии питания и заземления тестовые НП импульсы инжектируются непосредственно, без развязки. С учетом достаточно низкого сопротивления генератора сигналов, величины импульсных токов, протекающих в цепи общего провода, могут достигать огромных величин. Импульсные токи НП, протекающие по общему проводу устройства, создают заметное падение напряжения между различными точками этого провода, что может вызвать сбой. В сигнальные цепи тестовые НП импульсы инжектируются через «емкостные клещи», куда по очереди закладываются все провода, приходящие к устройству. Емкость связи невелика — единицы пикофарад, но для НП импульсов даже сравнительно малые емкости не являются серьезным препятствием, настолько широк их спектр. НП, приходящая в устройство по сигнальным цепям, рано или поздно попадает на общий провод («землю») и далее проходит теми же путями, что и НП, инжектированная в цепь общего провода. Поскольку согласно стандарту, амплитуда сигнальной НП вдвое меньше, чем земляной, попавшая в общий провод сигнальная НП в дальнейшем уже не может вызвать эффекта худшего, чем земляная НП. Однако до того как сигнальная НП попадет на общий провод, она может вызвать сбой непосредственно в цепях, связанных с данным сигналом.

Стандарт оговаривает, что испытуемое устройство должно находиться на изолирующей подставке на расстоянии 100 мм от сплошной заземленной поверхности. Это немаловажное требование, так как между устройством и этой поверхностью образуется емкостная связь, иногда одного этого достаточно для сбоя. На рис. 1 условно показано некое устройство, состоящее из узлов 1—4. Узлы 1 и 2 не подключены к внешним цепям, но они могут сбиваться из-за падения напряжения на внутреннем общем проводе, вызванном прохождением тока помехи IGND (на рис. 1 показана помеха, инжектируемая в линию заземления). Узлы 3 и 4 подключены к внешним устройствам, поэтому помимо упомянутых сбоев они дополнительно подвержены сбоям из-за токов помех I1 и I2, проходящих через их терминалы. Два типа проверок, оговоренных стандартом (со стороны заземления и со стороны сигналов), взаимодополняют друг друга. На рис. 1 можно выделить три составляющих помехоустойчивости устройства к НП, рассматриваемые далее более подробно:
● внутренний общий провод («земля») устройства;
● барьеры;
● емкостные связи.

Внутренний общий провод устройства. В момент прохождения НП по внутреннему общему проводу создается заметная разность напряжений между различными его точками
(«перекосы»). Например, если узлы 1 и 2 (рис. 1) являются цифровыми, собранными на микросхемах ТТЛШ, то разность напряжений примерно в 1 В между точками «а» и «б» способна вызвать сбой. Основную роль в создании падения напряжения играет не резистивная, а индуктивная составляющая цепи общего провода. За счет огромной крутизны фронтов НП даже мизерных
индуктивностей общего провода или даже слоев в печатных платах бывает достаточно для сбоя.
Рассмотрим эквивалентную схему на рис. 2.

Источник помехи — генератор треугольных импульсов U GEN . Фронт нарастания помехи — 5 нс, длительность по уровню 50 % равна 50 нс (рис. 3), сопротивление источника помехи R GEN равно 50 Ом, как оговорено стандартом. Амплитуда импульса помехи — 1 кВ, что соответствует сравнительно «мягким» испытаниям согласно табл. 1.

Конденсатор C CPL представляет собой емкость связи, L W — индуктивность проводов, подключенных к устройству. Для схемы на рис. 1 емкость связи C CPL состоит из параллельно
включенных C X 1, C X 2 плюс, возможно, емкости, привносимые внешними устройствами. Индуктивность L W представляет суммарную индуктивность всех проводников на пути помехи, за исключением индуктивности общего провода на рассматриваемом участке (в нашем случае на участке «а»—«б» рис. 1), которая обозначена как L GND . Предположим, что индуктивность общего провода L GND равна 10 нГн, а индуктивность остальных цепей — 100 нГн. Для ориентировки отметим, что печатный проводник шириной 5 мм и длиной 10 мм имеет индуктивность более 10 нГн, проводник шириной 0,35 мм и длиной 10 мм — примерно 17 нГн. Квадратная площадка размерами 25×25 мм имеет индуктивность более 20 нГн. На рис. 4 показана форма падения напряжения на L GND для следующих случаев:
1. С CPL = 10 пФ, L W = 100 нГн.
2. С CPL = 100 пФ, L W = 100 нГн.
3. С CPL = 0,1 мкФ, L W = 100 нГн.
4. С CPL = 0,1 мкФ, L W = 0.

При прохождении помехи на индуктивности внутреннего общего провода устройства создается падение напряжения, достаточное для сбоя. Увидеть такую помеху при помощи запоминающего осциллографа весьма затруднительно по ряду причин, в том числе по причине ограниченной скорости большинства современных запоминающих осциллографов. Из этого следует, что даже сплошной слой общего провода не спасет устройство на рис. 1 от сбоев, и в нем «перекосы» при прохождении НП могут достигать десятков вольт. Устойчивость устройства к воздействию НП не может быть достигнута только за счет утолщения проводников общего провода, заливки свободных мест печатной платы проводником общего провода или
использования многослойных плат. За счет одних только «толстых» общих проводников можно получить выигрыш в помехоустойчивости примерно в 1,5…3 раза, что на фоне сигналов помех, показанных на рис. 4, совершенно недостаточно. Развязка внешних сигналов при помощи оптронов тоже считается хорошим средством повышения помехоустойчивости, но на самом деле не является надежной защитой от НП. Типичная емкость оптрона — 0,5 пФ, при подстановке этого значения в качестве C CPL падение напряжения на индуктивности L GND в схеме на рис. 2 уменьшается до 4 В, что все равно достаточно для сбоя. Если устройство имеет несколько линий ввода/вывода, развязанных оптронами, то емкость CCPL будет соответственно больше. Радикального уменьшения напряжения помех на внутреннем общем
проводе устройства можно достичь, если правильно скомпоновать устройство и выбрать оптимальную точку заземления. Например, вполне очевидно, что по внутреннему общему проводу устройства на рис. 5 токи помех на участке «а»—«в» вообще не текут, соответственно, не возникает причин для сбоя узлов 1 и 2. В устройстве на рис. 5 внутренний общий провод устройства разделен на две части: «чистую» («а»—«в») и «грязную» («в»—«г»). По «чистой» части токи помех не протекают, к ней можно присоединять все узлы, потенциально чувствительные к помехам (узлы 1 и 2). Токи помех текут только по «грязной» части, с которой можно связывать только узлы, нечувствительные к помехам (узлы 3 и 4). Реальная картина вряд ли будет такой простой, как на рис. 5.

Паразитную емкость Сх очень редко удается сосредоточить только в «грязной» части, частично она существует и в «чистой» левой. За счет этой емкости полностью избавиться от токов помех в «чистой» части общего провода не удается.

Алексей Кузнецов, г. Аделаида, Австралия.