CC BY
39
DOI 10.25987^т2019.15ЛШ0 УДК 621.396.6.001.63;621.396.001.66
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЛБ/СЛЕ-СИСТЕМ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ В ЗАДАЧАХ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: главным этапом при конструировании электронных и электротехнических устройств является их моделирование в САПР для определения эмиссии радиочастотных помех и чувствительности к помехам, которое основывается на параметрах радиоэлектронного устройства. Использование САПР позволяет находить оптимальные технологические решения для обеспечения электромагнитной совместимости и помогает избежать дальнейших затратных доработок конструкции. С увеличением качества предтопологического и посттопологического анализа возрастает возможность формирования корректной разработки в короткие сроки. Проектируемое радиоэлектронное устройство предполагает присутствие минимизированного числа ошибок или полное их отсутствие. При разработке высококачественного радиоэлектронного оборудования необходимо обеспечение неискаженной передачи сигналов, следовательно, ни одна печатная плата не может быть изготовлена без использования специализированного программного обеспечения, облегчающего поиск помех и обеспечивающего электромагнитную совместимость. Проведен анализ наиболее распространенных САПР для исследования в области обеспечения электромагнитной совместимости и целостности сигналов в целях представления возможностей прикладных программ в данной области. Представлена возможность использования виртуального метода прототипирования для проведения интерактивного моделирования обеспечения электромагнитной совместимости
Ключевые слова: электромагнитная совместимость (ЭМС), помехоустойчивость (ПУ), моделирование электромагнитных процессов, прототипирование, радиоэлектронные средства (РЭС), САПР, электромагнитные помехи (ЭМП)
М.А. Ромащенко, Д.С. Сеимова
Введение
Актуальность
В последние годы существенно возросло значение внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС). Из-за постоянного обновления и увеличения числа радиоэлектронных средств (РЭС) растет потребность в обеспечении помехозащиты и продления срока службы изделия. Снижение качества выполнения организационно-технических операций, а тем более отказ работы устройства ввиду электромагнитной несовместимости ведут к снижению срока службы или полной неработоспособности. При разработке необходимо учитывать возможность воздействия внешних источников электромагнитных помех (ЭМП). В настоящее время уделяется недостаточно внимания методике, позволяющей оптимально и эффективно проектировать РЭС с учетом ЭМС из-за отсутствия требований в техническом задании (ТЗ) или же из-за неясности причин возникновения ЭМП. Таким образом, требуется усовершенствование существующих методов помехозашиты и необходима разработка новых подходов к оптимальному проектирова-
нию РЭС [1].
Совокупный подход к анализу проблемы обеспечения ЭМС разнообразных РЭС позволяет выявить источник помех, пути распространения помех, установление восприимчивости аппаратуры и, в итоге, методы помехозащиты. При анализе необходимо учитывать особенности конструкторско-технологического характера. Общепринятыми являются методы помехозащиты такие, как экранирование, фильтрация помех и рациональное выполнение монтажных соединений, цепей заземления, а также способы компоновки элементов на печатной плате (ПП) и узлов аппаратуры, обеспечивающие снижение уровней внутренних помех, однако такой подход считается уже устаревшим [2]. При разработке, модернизации или диагностировании ПП большинство рекомендаций являются противоречивыми и требуют при реализации определенного компромисса. Качественная ПП с точки зрения ЭМС не является следствием использования всех возможных рекомендаций и методов по устранению помех, это результат применения действительно необходимых решений для конкретного случая [3].
© Ромащенко М.А., Сеимова Д.С., 2019
Около 70% разработок терпят неудачу при первом тестировании на ЭMC. Статистика Intertek Testing Services показывает, что больше половины программных продуктов не проходит первоначальный тест на ЭМС из-за неспособности применить принципы ЭМС, отсутствия знаний, неправильного применения правил ЭМС, непредсказуемого взаимодействия между элементами схемы, а также включенных несоответствующих модулей или узлов в изготовленное устройство [4].
В статье показана возможность использования виртуального метода прототипирования в целях создания интерактивного моделирования ЭМС. Ниже представлен краткий анализ наиболее распространенных САПР для исследования в области обеспечения ЭМС и целостности сигналов с целью представления возможностей прикладных программ в данной области.
Анализ CAD/CAE - систем
для обеспечения электромагнитной совместимости
Программа ELCUT, разработанная OOO «Тор» (г. Санкт-Петербург), пока единственное в России средство, используемое для проведения анализа низкочастотных электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов [5]. Данное ПО будет полезно для университетского исследования, в целях ознакомления с техникой моделирования поля методом конечных элементов. Последовательность анализа проблемы в конкретном ПО от разработчиков выглядит следующим образом: прорисовка геометрии макета, генерирование расчетной сетки методом конечных элементов, указание граничных условий, а также особенностей материалов, определение дискретной задачи, анализ результатов вывода, затем попутное извлечение из него локальных и интегральных инженерных параметров. Возможности такого ПО не совсем многообразны: оно позволяет производить исследование волнового сопротивления линий передачи, если заранее известна мода колебаний, вычислять потери в диэлектрике и в проводниках с учетом скин-эффекта и поверхностного эффекта; вычислять индуктивность проводников на переменном токе; вычислять матрицы частичных емкостей и частичных индуктивностей системы из нескольких проводников; оценивать тепловое состоя-
ние элементов в 2D- и SD-моделях при задании условий конвективного теплообмена; проводить оптимизационный и статистический анализ.
Такая программа полезна лишь на заключительных этапах конструирования, она не является унифицированной и не может исследовать изделия на каждом из его жизненных циклов.
В течение последних двух десятилетий LabVIEW - полнофункциональный графический язык программирования от National Instruments - был использован миллионами инженеров и ученых для разработки сложных систем измерения, тестирования и контроля. Он устраняет множество синтаксических деталей, связанных с текстовыми языками, обеспечивая при этом обширный сбор, анализ и презентацию данных в одной среде [6].
Преимущества использования LabVIEW при проведении математического анализа обеспечения ЭMC включают:
- возможность построения точных математических моделей, описывающих различные явления и системы;
- привлекательные графические пользовательские интерфейсы (GUI), которые позволяют пользователям полностью взаимодействовать с имитируемыми явлениями;
- сокращение времени разработки и сложности;
- простое обновление с новыми требованиями и разработками;
- возможность научной визуализации, включая специализированные графики (графики Смита, Боде, полярные, SD-графики и т. д.);
- наличие специализированных модулей и наборов инструментальных средств, таких как Control Design and Simulation Module, Simulation Interface Toolkit (соединяет пользовательские интерфейсы LabVIEW с имитационными моделями, запущенными в Simulink), инструментарий Spectral Measurements Toolkit и инструментарий модуляции, который может расширить базовые функции Lab-VIEW для разработки виртуальных инструментов, относящихся к темам ЭMC.
Однако использование LabVIEW для изучения конкретных концепций ЭMC требует разработки кода. Даже если на веб-сайте National Instruments имеется огромное количество примеров, только некоторые из них предназначены для изучения концепций ЭMC. Параметры компонента устанавливаются в ин-
терактивном режиме, и полученный импеданс отображаются мгновенно.
Таким образом, использование LabVIEW позволяет разрабатывать недорогие, многофункциональные средства моделирования для изучения различных концепций, связанных с ЭМС. Интерес к данной теме заключается в усовершенствовании этой программы, чтобы обеспечить более сложную и эффективную среду измерения ЭМС.
Программное обеспечение CST EMC STUDIO предназначено для анализа ЭМС и ЭМП с использованием 3D-моделирования электромагнитного поля [7]. С помощью данного ПО пользователи могут исследовать такие эффекты, как излучаемые или проводимые выбросы в устройствах радиоэлектроники, а также восприимчивость к электростатическим разрядам, ударам молнии и высокоинтенсивным излучаемым полям. ПО поставляется с универсальными 3D-модулями для представления во временной и частотной областях, а также со специализированным вычислителем, который использует матрицу линии передач (Transmission Line Matrix (TLM)), которая проводит исследование во временной области, основанное на гексагональном сеточном разбиении. Доступные вычислителю специализированные компактные модели щелей, зазоров, стыков, отверстий, а также технологии сеточного построения на базе октодерева делают его незаменимым при решении задач обеспечения ЭМС и ПУ.
CST EMC STUDIO также включает в себя ресивер кабельного жгута, электронную автоматизацию конструирования и инструменты импорта САПР, компактные модели для макетирования вентиляционных отверстий и швов. Пользователи также могут интегрировать кабельные жгуты в сложную трехмерную модель и анализировать их с помощью двунаправленного моделирования.
В сочетании со средой CST System Assembly and Modeling (SAM) для упрощения управления имитационным проектом отдельные компоненты также могут комбинироваться для комплексного моделирования. Посредством своих специализированных рабочих процессов ЭMC данное ПО может интегрироваться в объемный спектр процессов проектирования электротехнических средств. Совокупное исследование электромагнитных конструкций во временной области предоставляет возможность учитывать электромагнитные
поля, возникающие вследствие взаимодействия с нелинейными элементами схемы. Исследование во временной области позволяет вычислять набор гармонических составляющих сигнала.
Подобная степень развития технологий моделирования данного ПО была достигнута посредством длительного усовершенствования вычислительных модулей. Большая точность результатов работы программного CST предоставляет возможность потребителям создавать имитационные макеты, интегрирующие поведение реальных РЭС, уменьшая тем самым время разработки и стоимость выпускаемой продукции.
Унифицированный подход данного ПО позволяет проводить верификацию собранных данных посредством сравнения результатов макетирования, полученных с эксплуатацией различных прикладных ПО в единой рабочей среде. Подобная перекрестная проверка повышает точность полученных результатов и помогает потребителям выявить ошибки в описании устройства или в процессе выполнения измерений.
Для эффективного моделирования требуется ПО с качественно описанной структурой. Следовательно, что имитационная модель должна описывать реальные объекты и учитывать объемный спектр действующих на них ЭМ процессов. Модульное ПО содержит весьма мощные средства построения и импорта моделей из CAD систем, помогающие потребителю построить правильную имитационную модель анализируемого устройства. Однако данная программа со всеми требуемыми пакетами стоит достаточно дорого, к тому же не совсем четкая методика использования не позволяет протестировать и оценить эффективность данного ПО [8]. Рассмотрим еще один программный пакет, применяющийся для анализа ЭМС на этапе разработки.
EMCoS PCB VLab - программный продукт для предтопологической обработки и анализа сложных систем печатных плат. Он включает в себя различные наборы инструментов для визуализации и позволяет обеспечить удобную обработку данных. Подсистема RapidRLC, включенная в среду VLab EMCoS PCB, обеспечивает паразитное извлечение RLC и генерирование эквивалентной схемы для анализа паразитных эффектов на печатной плате. Сгенерированная паразитная схема мо-
жет быть использована далее при анализе моделирования системы EMC Studio [9].
Платформа EMCoS PCB VLab содержит также подсистему MTL, которая выполняет анализ целостности сигнала и оценку излучаемой эмиссии после компоновки. Наряду с автономной экстракцией паразитных наводок EMCoS PCB VLab поддерживает обмен данными с EMC Studio для интеграции в полный процесс моделирования.
Основными возможностями EMCoS PCB VLab являются извлечение паразитных RLC наводок, 3D двухполупериодный PCB анализ (электромагнитный и контурный), исследование целостности сигнала и радиационной эмиссии, 3D-визуализация в режиме реального времени, интеграция в подсистемы EMCoS, поддержка 64-битной платформы.
EMC Studio применяет вычислительные методы, такие как метод моментов, метод вспомогательных источников, методы линии передачи и сетевой анализ (SPICE/PSPICE или Dolphin-SMASH vhdl-AMS solvers) [10].
Существует еще несколько программных комплексов, анализирующих РЭС на этапе разработки, но они не отличаются высокой эффективностью, а представленные зарубежные программы имеют высокую стоимость и не совсем ясный принцип использования, помимо этого, отсутствие подробной документации и дополнительной литературы на русском языке вызывает определенные трудности для части пользователей.
Заключение
Таким образом, анализируя представленные программные продукты, можно сделать вывод о том, что проблема обеспечения ЭМС все еще не решена, т.к. существующие САПР не отличаются высокой эффективностью и производительностью. Недостаток точных алгоритмов рационального размещения электрорадиоэлементов на печатной плате с учетом обеспечения требуемого уровня ЭМС, массивность и трудоемкость математического пред-
ставления требуют применения различных САПР для эффективного и качественного конструирования электронных устройств. Требуется создать такой программный комплекс, который сможет позволить включить в процесс проектирования печатной платы анализ электромагнитной совместимости на каждом из этапов разработки, вследствие чего можно избежать крупных ошибок после выпуска в производство и повторного конструирования РЭС, а также повысить качество изготавливаемого изделия.
Литература
1. Ромащенко М.А. Методы оптимального проектирования конструкции радиоэлектронных средств с учетом электромагнитной совместимости и помехоустойчивости: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Воронеж, 2014. С. 26-30.
2. Глотов В.В., Ромащенко М.А. Использование CAD-системы EMCOS PCB VLAB в задачах обеспечения ЭМС // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций: материалы 18-й Междунар. науч.-техн. конф., 2015. С. 61-63.
3. Макаров О.Ю., Муратов А.В., Ромащенко М.А. Методы обеспечения внутри аппаратурной электромагнитной совместимости и помехоустойчивости в конструкциях электронных средств. Воронеж, 2013. С. 40-56.
4. http ://www. intertek.com/ certification/
5. https://elcut.ru/pack_r.htm
6. http://www.ni.com/white-paper/53671 /en/
7. CST PCB STUDIO - анализ целостности сигналов в печатных платах. Режим доступа: http://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst/CST-PCB-STUDIO.phtml
8. Судариков А.В., Ромащенко М.А., Муратов А.В. Анализ электромагнитных воздействий радиоэлектронных средств с помощью систем автоматизированного проектирования CAD/CAE категории // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 8. С. 135-137.
9. Modeling of EMC-Filter from Würth Elektronik Design Kit. Режим доступа: https://www.emcos.com/?application-examples=modeling-of-emc-filter-from-wurth-elektronik-design-kit
10. Глотов В.В., Ромащенко М.А. Моделирование печатной платы для проверки на электромагнитную совместимость в EMCOS PCB УЬАБ // Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн: материалы II Междунар. науч.-практ. конф., 2016. С. 149152.
Поступила 10.12.2018; принята к публикации 31.12.2019 Информация об авторах
Ромащенко Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kipr@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056 Сеимова Дарья Сергеевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: dashyli98@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4946-5426
MODERN CONDITION OF CAD/CAE SYSTEMS FOR THE ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY IN THE PROBLEMS OF OPTIMAL DESIGN OF RADIO ELECTRONIC FACILITIES
M.A. Romashchenko, D.S. Seimova Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the main step in the design of electrical devices are CAD tools for determining the emission of radio frequency interference and sensitivity with sufficient accuracy, based on the design parameters of the radio electronic element. The use of CAD systems will provide an opportunity to use appropriate technologies for providing EMC and help avoid further costly development. With an increase in the quality of pre-topological and post-topological analysis, the probability of creating a correct development in a shorter period of time increases. Designed radio-electronic equipment assumes the presence of a minimized number of errors or their complete absence. When developing high-quality radioelectronic equipment, it became necessary to ensure undistorted signal transmission, therefore, no printed circuit board can be manufactured without the use of specialized software that facilitates the search for interference and ensures electromagnetic compatibility. The article presents an analysis of the most common CAD systems for research in the field of EMC and signal integrity in order to present the capabilities of application programs in this area. The possibility of using a virtual prototyping method to create interactive electromagnetic compatibility modeling (EMC) is illustrated
Key words: electromagnetic compatibility (EMC), noise immunity (NI), modeling of electromagnetic processes, prototyping, radio-electronic means (REM), CAD, electromagnetic interference (EMI)
References
1. Romashchenko M.A. "Methods for optimal design of radio electronic equipment with regard to electromagnetic compatibility and noise immunity. Dr. tech. sci. diss." ("Metody optimal'nogo proektirovaniya konstruktsii radioelektronnykh sredstv s uchetom elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti: avtoref. dis. d-ra tekhn. nauk."), VSTU, Voronezh, 2014, pp. 26-30.
2. Glotov V.V., Romashchenko M.A. "Using the EMCOS PCB VLAB CAD system in EMC ensuring tasks", Proc. of the 18th International Scientific and Technical Conference "Problems of Information Transmission and Processing in Telecommunication Networks and Systems " (Problemy peredachi i obrabotki informatsii v setyakh i sistemakh telekommunikatsiy: materialy 18-yMezhdunar. nauch.-tekhn. konf), 2015, pp. 61-63.
3. Makarov O.Yu., Muratov A.V., Romashchenko M.A. "Methods to ensure the internal hardware electromagnetic co m-patibility and noise immunity in the design of electronic devices" ("Metody obespecheniya vnutri apparaturnoy elektromagnitnoy sovmestimosti i pomekhoustoychivosti v konstruktsiyakh elektronnykh sredstv"), Voronezh, 2013, pp. 40-56.
4. http: //www. intertek. com/ certification/
5. https://elcut.ru/pack_r.htm
6. http://www.ni. com/white-paper/53671 /en/
7. http://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst/CST-PCB-STUDIO.phtml
8. Sudarikov A.V., Romashchenko M.A., Muratov A.V. "Analysis of electromagnetic effects of radio-electronic means using computer-aided design CAD/CAE category", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2010, vol. 6, no. 8, pp. 135-137.
9. https://www.emcos.com/?application-examples=modeling-of-emc-filter-from-wurth-elektronik-design-kit
10. Glotov V.V., Romashchenko M.A. "Simulation of a printed circuit board for testing for electromagnetic compatibility in EMCOS PCB VLAB", Proc. of the II International Scientific and Practical Conference Virtual modeling, prototyping and industrial design (Virtual'noe modelirovanie, prototipirovanie i promyshlennyy dizayn: materialy II Mezhdunar. nauch.-prakt. konf.), 2016, pp. 149-152.
Submitted 10.12.2018; revised 31.12.2018 Information about the authors
Mikhail A. Romashchenko, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kipr@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056
Dar'ya S. Seimova, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: dashyli98@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4946-5426
