1. Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Факультет технической кибернетики и информатики
Направление 210200 «Проектирование и технология электронных средств»
Дисциплина «Информационные технологии электромагнитной совместимости ЭС»
Лекция №21 «Задачи электромагнитной
совместимости электронных средств при внешних
электромагнитных воздействиях»
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008

2. Задачи электромагнитной совместимости
электронных средств при внешних электромагнитных
воздействиях
1.Причины обострения проблемы ЭМС ЭС при внешних электромагнитных
воздействиях.
2.Электромагнитные помехи и их источники.
3.Влияние внешнего электромагнитного поля и электромагнитные
импульсы.
4.Многорубежная защита ЭС.
5.Методы защиты ЭС от внешнего электромагнитного поля.

3. 1. Причины обострения проблемы ЭМС ЭС при
внешних электромагнитных воздействиях.
Важнейшим вопросом ЭМС при конструировании ЭС является обеспечение их
работоспособности в условиях воздействия электромагнитных,
электрических
и
магнитных полей как на ЭС в целом, так и на отдельные межсоединения и элементы.
Данный вопрос приобретает большую значимость в силу следующих причин:
1. рост восприимчивости элементной базы к внешним электромагнитным помехам;
2. приближение ЭС к объекту управления, являющегося источником помех;
3. возрастание числа и мощности источников помех, вызванное ростом
энерговооруженности и энергоёмкости производственных технологий;
4. появление устройств, способных генерировать мощные электромагнитные
импульсы;
5.вступление России в ВТО и гармонизация стандартов.

4. 2. Электромагнитные помехи и их источники.
Проблема ЭМС и информационной безопасности (отсутствие нарушения или
потери информационного сигнала) ЭС к воздействию электромагнитных полей
тесно
связана
с
существованием
непреднамеренных
(паразитных)
и
преднамеренных электромагнитных связей и помех, наличие которых ухудшает
эффективность работы ЭС. При этом особое значение в обеспечении требований
ЭМС ЭС к воздействию электромагнитных помех, особенно на ранних стадиях их
разработки, приобретает знание электромагнитной обстановки, создаваемой
источниками электромагнитных помех. В зависимости от вида и характера,
источники излучения электромагнитных помех, как показано на рис. 4.1,
подразделяются на два больших класса: помехи естественного и искусственного
происхождения [3, 4].

5. Электромагнитные помехи
и их источники
Естественного
происхождения
Искусственного
происхождения
Преднамеренные
Грозовые
разряды
Электростатический разряд
Мощные
радиопередающие средства
Импульс ядерного
взрыва
Средства
электромагнитного терроризма
Непреднамеренные
Индустриальные
Высоковольтные
линии
электропередачи
Контактная сеть
железных дорог
Высоковольтные
установки
Рис. 4.1. Электромагнитные помехи и их источники

6. Помехи искусственного происхождения возникают в процессе человеческой
деятельности. Помехи естественного происхождения не связаны с процессами
жизнедеятельности человека и существуют независимо от них. Помехи искусственного
происхождения, в свою очередь, делятся на непреднамеренные и преднамеренные.
Непреднамеренные помехи возникают в процессе использования человеком
различного рода устройств, генерация помех которыми является естественным
следствием их функционирования. Преднамеренные помехи создаются искусственно с
целью ухудшения функционирования или вывода из строя ЭС. На практике они имеют
место, и по характеру своего воздействия на элементы ЭС во многом идентичны
мощным непреднамеренным электромагнитным помехам.
Помехозащищенность ЭС от внешнего электромагнитного поля обеспечивается
экранированием и рациональным конструированием межсоединений цифрового узла и
его конструктивных модулей. В теории электромагнитного экранирования хорошо
известны методы анализа эффективности экранирования систем [63, 332] по известным
характеристикам экранов (геометрия, неидеальность, материал). Однако плохо
исследованы задачи преобразования проникшего электромагнитного поля на
сигнальном межсоединении конструктива в напряжение помехи, образующейся на
входе элемента-приёмника. При этом не учитываются конструктивные особенности
модулей.
В настоящее время выбор ЭС осуществляется на основе опыта и интуиции
разработчика, отраслевых стандартов, руководящих технических материалов,
известных в практике решений. Однако изменение уровней внешних электромагнитных
полей в реальных условиях эксплуатации ЭС
не
отражено
в
подобных
рекомендациях, что вызывает трудности в использовании существующих базовых
решений и инициирует моделирование влияния внешнего электромагнитного поля в
каждом конкретном конструктиве.

7. 3. Влияние внешнего электромагнитного поля и
электромагнитные импульсы.
После разработки и изготовления опытного образца ЭС подвергается
комплексу испытаний, в том числе на внешние электромагнитные воздействия.
Результаты испытаний позволяют оценить степень обеспечения ЭМС изделия в целом,
но не дают информации о помехозащищенности отдельных конструктивных модулей,
что при неблагоприятных результатах испытаний затрудняет нахождение критического
межсоединения или элемента.
Системный подход в обеспечении ЭМС ЭС заключается в подборе методов
анализа и средств защиты от внешних электромагнитных помех, адекватных
соответствующему межсоединению и элементу ЭС. Для реализации данного подхода
необходимо установить взаимосвязи между видами помех, вызываемых внешним
электромагнитным полем, которые прикладываются ко входам элементов-приемников,
и мерами защиты от них в различных конструктивных модулях ЭС. Влияние внешнего
электромагнитного поля определяется его взаимодействием с межсоединениями
всего ЭС, в котором происходит преобразование поля в паразитные напряжения и токи,
зависящие:
• от характеристик внешнего электромагнитного поля;
• эффективности экранирования ЭС;
• конструктивного исполнения модулей ЭС;
• топологии и степени экранирования межсоединений ЭС;
• элементной базы.

8. E
E0
tфр
T
t
Рис. 4.2. Трапецеидальный импульс
Основными разновидностями внешнего электромагнитного поля являются
электромагнитные импульсы двух видов: трапецеидальный и экспоненциальный.
Электромагнитный импульс имеет трапецеидальную форму (рис. 4.2), когда
рассматривается нежелательное воздействие, например, от цифровой аппаратуры, от
искрения щеток двигателей и т.п. [204, 343].
Типичной разновидностью экспоненциального импульса является электромагнитный
импульс ядерного взрыва [204]. Мгновенное освобождение [334] ядерной энергии при
ядерном взрыве сопровождается
интенсивным импульсом излучения γ-квантов
(высокоэнергетическое рентгеновское излучение с энергией порядка МэВ, которое
распространяется по всем направлениям со скоростью света). При взрыве на большой
высоте над поверхностью Земли (например, 400 км) эти кванты в слоях атмосферы
вследствие эффекта Комптона освобождают электроны, большая часть которых
сохраняет первоначальное направление движения γ-кванта и на своём дальнейшем
пути к Земле за счет ударной ионизации образуют многочисленные вторичные
электроны. Летящие к Земле
электроны создают вместе с малоподвижными
положительными ионами воздуха электрический диполь. За счет отклонения
электронов в магнитном поле Земли (сила Лоренца) создается магнитный диполь.

9. Изменяющееся во времени и пространстве распределение заряда и тока
обусловливает изменяющееся электромагнитное поле, называемое электромагнитным
импульсом ядерного взрыва.
Согласно доступной литературе, этот импульс имеет вид, близкий к двойной
экспоненте (качественно аналогичный нормированному грозовому импульсу) с
длительностью фронта примерно 5 нс и временем спада около 200 нс (рис. 4.3).
Максимальное нормированное значение напряженности электрического поля равно 50
кВ/м. В дальнем поле максимальное значение напряжённости внешнего магнитного
поля рассчитывается по формуле Нmax = Emax/ 377 и равно 133 А/м.
E, %
90
50
10
t
4нс
200 нс
Рис. 4.3. Временная характеристика напряженности
электрического поля ядерного
электромагнитного импульса

10. Аналогичные эффекты возникают при взрывах вблизи Земли, поэтому различают
высотные и поверхностные электромагнитные импульсы.
При взрыве у поверхности Земли доминируют термические и механические
эффекты. Кроме того, имеется магнитогидродинамический электромагнитный импульс,
протекающий очень медленно в течение секунд и минут в виде переходного
процесса, вызванного взаимодействием между магнитным
полем
Земли и
расширяющимися ионизированными массами газа в атмосфере. Специфика
электромагнитного импульса ядерного взрыва состоит в том, что его действия
распространяются на значительные площади. Особенно опасны воздействия импульса
на протяженные системы (сети электроснабжения, телефонные сети), в которых
вследствие распределённого наведения и образования может аккумулироваться
значительная энергия.
При магнитодинамическом электромагнитном импульсе появляются
низкочастотные, наведённые индуктивным путём токи. Масштаб возможных
электромагнитных влияний ядерных взрывов в настоящее время является предметом
научных исследований [19, 228, 235, 236, 245].
В данный момент наиболее эффективным представляется многорубежная защита
ЭС.

11. 4. Многорубежная защита ЭС.
Рис. 4.4. Многорубежная защита ЭС.
Для разных способов воздействия выделяют разные методы и способы защиты.
Чтобы обезопасить ЭС от воздействия контактным способом нужно пройти три
этапа защиты:

12. 1. Защита по периметру здания силовых, информационных кабелей и контура
заземления. На данной стадии необходимо исключить возможность
подключения ТС ПЭВМ, например, для порта сети питания должна быть
защита не только силовых кабелей, но и трансформаторной подстанции.
2. Защита внутри здания всех силовых, информационных кабелей и контуров
заземления. Вся проводка, розетки и распределительные щиты должны быть
защищены от возможности проникновения к ним случайных лиц.
Использование вторичных источников питания и контуров заземления для
наиболее ответственных ЭС.
3. Защита на входе и внутри ЭС. Использование специализированных фильтров и
преобразователей, схемными решениями внутри изделия.
При воздействии бесконтактным способом можно выделить три рубежа защиты:
1. Защита по периметру здания от возможности установки излучающего
оборудования. Окна помещения с наиболее ответственным оборудованием не
должны выходить на соседние здания и неконтролируемую территорию,
желателен выход во двор и отсутствие окон.
2. Защита внутри здания заключается в использовании специализированных
материалов для экранирования стен и кабелей. И невозможности проноса
излучающего оборудования внутрь здания.
3. Защита на входе и внутри ЭС экранированием корпуса, использованием
фильтров и схемных решений.
Выбор комплекса мер по защите ЭС от воздействия внешних электромагнитных
полей определяется местом, которое занимает конструктивный модуль в
иерархической структуре. Известны [235, 270, 330] следующие методы защиты ЭС
от внешнего электромагнитного поля (рис. 4.5):

13. 5. Методы защиты ЭС от внешнего электромагнитного поля
Методы защиты ЭС
Структурнофункциональные
Применение
корректирующих
кодов
Выбор
алгоритмов,
снижающих
вероятность
появления
ошибок
Накопление
и статистическая
обработка
данных
Схемотехнические
Ограничение
помех по спектру
Ограничение
помех по
амплитуде
Гальваническая
развязка
Симметрирование
Конструктивные
Экранирование
Рациональное
заземление
Применение
помехозащищенны
х типов
межсоединений
Применение
топологических
способов
уменьшения помех

14. Применение структурно-функциональных методов защиты ЭС возможно лишь
для функционально законченных блоков, когда каждый из этих блоков работает по
собственным и взаимоувязанным алгоритмам. Отработка мер защиты в этом случае
должна проходить на ранних этапах проектирования, т.к. заложенные в блоки
алгоритмы функционирования определяют схемотехническую и программную
реализацию ЭС.
Схемотехнические методы защиты имеют более избирательное влияние на
конструкцию ЭС и заключаются в целенаправленном изменении структуры отдельных
схем и введении дополнительных элементов.
Ограничение помех по спектру состоит в применении элементов, ограничивающих
прохождение сигналов с частотами, лежащими вне рабочей полосы пропускания блока
ЭС. Этот способ широко применяется для фильтрации помех в системах питания [65,
108]. Однако применение этого метода подавления помех в информационных цепях,
расположенных в печатных платах, практически невозможно, так как рабочие сигналы
имеют фронты переключения от единиц до долей наносекунд в зависимости от
выбранной элементной базы.
Ограничение помех по амплитуде состоит в применении различного вида
разрядников [160, 161]. Данный метод защиты в ЭС используется только для
ограничения помех до логических уровней в длительных информационных линиях
внешнего и внутреннего интерфейса. Этот метод позволяет предохранять входные
цепи от пробоя.
Гальваническая развязка применяется для ограничения путей распространения
кондуктивных и синфазных помех. В частности, широко применяется оптоэлектронная
развязка цепей внешнего и внутреннего интерфейса [58].

15. Симметрирование – это метод защиты, основанный на принципе равных сигналов
противоположной полярности, наводимых на проводниках симметричной линии,
которые затем компенсируются на нагрузке. Этот метод широко применяется в
усилительной технике. В цифровой технике он используется для подавления
дифференциальных помех в длинных линиях внешнего и внутреннего интерфейса, а
также в конструктивных модулях на ЭСЛ схемах, обладающих очень близкими уровнями
логического нуля и единицы [183]. Для этой цели разработаны специальные
микросхемы-приемники сигнала с линии и межсоединения выполняются только
симметричными двухпроводными линиями связи.
Конструктивные методы защиты основаны на конкретном проектировании
модулей и ЭС.
Экранирование широко применяется для защиты от воздействия внешнего
электромагнитного поля как отдельных частей ЭС, так и ЭС в целом. Практически
любой корпус является экраном данного цифрового узла и ЭС
[63, 89, 224].
Электромагнитное экранирование цифровых узлов на печатных платах основано на
применении индивидуальных экранов. При конструировании экранов основные усилия
обычно направлены на обеспечение непрерывности проводящего корпуса.
Проектирование рациональной системы заземления является одним из ключевых
моментов в создании работоспособных ЭС. Это связано с тем, что система заземления
одновременно выполняет ряд взаимосвязанных специфических функций [330]:
•создание опорного потенциала для электронных схем;
•электробезопасность;
•объединения экранирующих элементов в систему;
•создание межсоединений с нормируемым волновым сопротивлением;
•использование в качестве возвратного проводника;
•применение как одной из шин системы питания.

16. Такая многофункциональность системы заземления при ее проектировании
приводит к необходимости одновременного удовлетворения взаимоисключающих
требований. Корректно спроектированная система земли должна привести к созданию:
•шин питания с минимальной неэквивалентностью при изменении токовых нагрузок
и при воздействии внешнего электромагнитного поля;
•линий связи с минимальными задержками, искажениями и отражениями сигналов;
•систем межсоединений с минимальными перекрестными помехами;
•систем проводников с минимальными помехами от внешних электромагнитных
полей.
По своему конструктивному исполнению система заземления для ЭС может быть
одноточечной,
“плавающей”,
многоточечной
и
региональной.
Наибольшей
устойчивостью к внешнему электромагнитному полю обладает одноточечный способ
заземления [118].
В проектировании систем проводников, находящихся под воздействием внешнего
электромагнитного поля, широко применяется проводной монтаж, ослабляющий данное
влияние. Конструкцией, имеющей высокую помехозащищенность при воздействии
внешнего электромагнитного поля, является плата с тонкопроволочным монтажом.
Однако в цифровых узлах на основе плат применение данного метода уменьшения
помех крайне затруднено.
Применение топологических способов уменьшения помех связано, например, с
конструкцией линии связи на печатной и монтажной плате, аналогичной витой паре [4,
5], и двухпроводной линии в многослойной печатной плате, состоящей из сигнального и
“теневого” проводника, расположенного в общем слое земли [3].
Таким образом, методы защиты ЭС от внешнего электромагнитного поля включают
широкий арсенал структурно-функциональных, схемотехнических и конструктивных
способов. Однако подавляющее большинство межсоединений ЭС расположено именно
в печатных платах, а для этих связей возможно применение только конструктивных
методов
защиты,
которые
в
настоящее
время
плохо
разработаны.

17. Контрольные вопросы
1. Назовите основные причины обострения проблемы ЭМС ЭС при внешних
электромагнитных воздействиях.
2. Приведите классификацию электромагнитных помех и их источников.
3. Чем определяется эффект влияния электромагнитного поля на ЭС?
4. Назовите основные характеристики электромагнитного импульса ядерного
взрыва.
5. Поясните многорубежную защиту ЭС.
6. Сравните методы и способы защиты ЭС при воздействии электромагнитных
импульсов контактным и бесконтактным способом.
7. Охарактеризуйте методы защиты ЭС от внешнего электромагнитного поля.
8. Поясните конструктивные методы защиты ЭС от внешнего электромагнитного
поля.
9. Поясните принцип работы ферритовых радиопоглощающих покрытий.
10. Назовите предпочтительный вариант системы заземления ЭС.