Усовершенствованный алгоритм исследования безопасности электронных цепей с помощью N-норм в радиоэлектронной аппаратуре Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

УДК 621.3.049.779

Усовершенствованный алгоритм исследования безопасности электронных цепей с помощью ^-норм в радиоэлектронной аппаратуре

Газизов Р. Р.*

(*научный руководитель исследования: профессор департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», доктор технических наук Елизаров А. А.)

Постановка задачи: с ростом числа электронных устройств их совместная работа может затрудняться. Существующая тенденция к миниатюризации мотивирует разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) проектировать компоненты так, чтобы между ними было минимальное расстояние. Тема взаимовлияний устройств актуальна и из-за существования сложных критических комплексов систем, в которых выход одного компонента из строя может повлиять на всю систему. Примерами таких систем являются крупные центры обработки данных или аппараты аэрокосмической отрасли. Как известно, при взаимодействии компонентов РЭА есть вероятность появления электромагнитных помех или наводок, которые могут негативно повлиять на работоспособность критичных элементов. Сложность разработки устройств с учетом их безопасности заключается в больших временных затратах на проектирование электронной техники, благодаря системам моделирования у инженеров появляется возможность сократить время на разработку аппаратуры, при этом учесть случаи, при которых могут появляться потенциально опасные состояния, например, электрические пробои, наводки или искрения компонентов, при расположении нескольких проводов близко друг к другу. Благодаря поиску экстремумов напряжения и использованию Nнорм появляется возможность находить уязвимые места - с наибольшим напряжением. Таким образом, совершенствование систем моделирования является одним из эффективных способов поиска и предотвращения неконтролируемого поведения электронной техники на этапе проектирования РЭА. Целью работы является сравнение работы существовавшего и усовершенствованного алгоритмов определения отклика сигналов по всем возможным путям распространения с использованием Nнорм на тестовых и реальной структурах. Используемые методы: в рамках исследования применяются поиск экстремумов напряжения, Nнормы, квазистатический анализ многопроводных линий передачи. Новизна: сравнение работы алгоритма определения всевозможных путей с ранее существующим с применением Nнорм впервые проведено на примере реальной структуры. Результат: использование нового алгоритма позволило определять все возможные пути распространения сигналов на примере 6 структур, одна из которых является реальным модальным фильтром. В результате моделирования получено, что при использовании усовершенствованного алгоритма найден глобальный максимум напряжения, превышающий найденный старым алгоритмом на 15%, а также найден минимум, превышающий старое значение на 110%. Практическая значимость: проведение сравнения алгоритма на примере реальной структуры позволило шире апробировать работу нового алгоритма. Доработка алгоритма позволит более качественно анализировать безопасность электронных устройств повышенной сложности. Улучшение алгоритма реализовано в отечественном программном обеспечении TALGAT, что важно для технологического развития нашей страны.

Библиографическая ссылка на статью:

Газизов Р. Р. Усовершенствованный алгоритм исследования безопасности электронных цепей с помощью N-норм в радиоэлектронной аппаратуре // Системы управления, связи и безопасности. 2023. № 4. С. 267-282. DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282 Reference for citation:

Gazizov R. R. An improved algorithm for studying the safety of electronic circuits using N-norms in electronic equipment. Systems of Control, Communication and Security, 2023, no. 4, pp. 267-282 (in Russian). DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Ключевые слова: электромагнитная совместимость; N-норма; меандровая линия; локализация экстремумов напряжения.

Введение

Быстрая сотовая связь, доступ в интернет, использование электронных устройств - все это уже не норма жизни для человека, а крайняя необходимость. Это значит, что каждое электронное устройство, с которым взаимодействует человек, также влияет на него своим электромагнитным полем. Более того, при использовании нескольких электронных устройств, происходит их влияние друг на друга. Это относится не только к случаям, когда применяется технология internet of things (IoT) [1], когда несколько устройств работают в «одной связке», но и в повседневной жизни: при использовании смартфона возле ноутбука или Bluetooth-наушников в зоне Wi-Fi.

Тенденция к компактности предполагает дополнительные требования к разработке и проектированию. Расстояния между элементами и их размеры уменьшаются, тем самым увеличивая вероятность взаимовлияний друг на друга. Поэтому, важно тщательно исследовать их при проектировании радиоэлектронных устройств (РЭУ) [2-4]. При этом нужно учитывать не только различные типы сигналов, например, сверхкороткие импульсы (СКИ) или электростатические разряды (ЭСР), но и разные параметры окружающей среды: влажность, температуру и т.д. Одним из способов комплексного исследования безопасности воздействия на электронную цепь является вычисление #-норм [5-7]: интегральных параметров временного отклика на конкретное воздействие. Пока этот способ исследования только набирает популярность, так как научных статей с его упоминанием еще мало. Однако это важный инструмент для получения выводов о состоянии структур.

Для ясности в таблице 1 приведены описание и физический смысл каждой из #-норм [8].

Таблица 1 - Описание и физический смысл #-норм

№ Формула Название Применение

1 N = \R( t)\ 1 1 v ^ \max Пиковое (абсолютное) значение Сбой схемы / электрический пробой / дуговые эффекты

2 N = dR(t) dt nax Пиковая (абсолютная) производная Искрение компонента / сбой схемы

3 N3 = t J R(t)di 0 max Пиковый (абсолютный) импульс Диэлектрический пробой (если Я обозначает поле Е)

4 TO N4 =J| R(t)dt 0 Выпрямленный общий импульс Повреждение оборудования

5 N 11 (8 Квадратный корень интеграла действия Выгорание компонента

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Для сокращения времени проектирования используют системы моделирования [9]. Существуют несколько видов моделирования, одним из которых является электродинамическое. Ниже в таблице 2 приведен список некоторых примеров ПО для электродинамического моделирования [10].

Таблица 2 - ПО для электродинамического моделирования

Название Производитель Страна

Метод конечных разностей во временной области

XFDTD REMCOM США

CEM One ESI Group Франция

GEMS Computer and Communication Unlimited США

QuickWave QWED Польша

Semcad-X SPEAG Швейцария

EMPIRE IMST GmbH Германия

EMA3D Electro Magnetic Applications США

Em.cube EMAG Technologies США

Метод моментов

Concept-II University of Technology Hamburg-Harburg Германия

Altair FEKO Altair Engineering, Inc. США

WIPL-D WIPL-D Сербия

Singula Integrated Engineering Software Sales Inc. Канада

HyperLynx 3D EM Mentor Graphics США

GEMACS Applied Research Associates США

newFASANT NEWFASANT SL Испания

EMCoS Studio EmCoS Грузия

Momentum Keysight США

Lucernhammer Tripoint Industries, Inc. США

ЭДЭМ EDEM3D Россия

Метод матрицы линий передачи

CST MICROSTR. CST AG (Flomerics Gr.) Германия

MEFiSTo FAUSTUS Scientific Corp. Канада

Метод конечного интегрирования

Microwave Studio CST AG Германия

Метод конечных элементов

ANSYS HFSS Ansoft Corp. США

EMPro Keysight США

Opera Cobham Великобритания

Асоника-ЭМС «НИИ «АСОНИКА» Россия

RFS LG Russian R&D center Россия

Данный список является не полным, однако он показывает актуальность развития ПО в сфере моделирования во многих странах мира. Одной из систем моделирования является TALGAT [11], разрабатываемая в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). В системе TALGAT реализован модуль DynaVis, с помощью которого можно определять временной отклик вдоль проводников многопроводных линий передачи, разделенных на сегменты. Кроме того, с помощью данного модуля вычисляются #-нормы отклика, а также строятся их портреты вдоль проводников. Суще-

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

ствуют случаи, когда отрезки запаралеллены, т.е. имеются разные пути распространения сигналов, например, при резервировании [12, 13]. В таких случаях важно проводить вычисления по всем возможным путям распространения сигналов.

Постановка задачи

Ранее при вычислении сигналов вдоль проводника и их #-норм в системе TALGAT рассматривался только один возможный путь распространения сигналов, даже при его разветвлении. Было принято решение о модернизации алгоритма определения пути распространения сигналов. На рис. 1 приведен пример визуализации проблемной ситуации: из двух путей распространения сигнала между точками А и В (пути отмечены стрелками и цифрами 1 и 2) рассматривался только тот путь, ближайший узел которого к точке А имел наименьший индекс, т.е. моделирование сигнала проходило только через узлы 3-4 (верхний путь), в то время как путь 6-5 не рассматривался, так как 3 (индекс ближайшего узла к точке А) меньше, чем 6. Таким образом, имелась потенциальная вероятность ненахождения глобального максимума, расположенного на других параллельных путях распространения сигнала, а значит, наиболее уязвимого места вдоль проводника. Это особенно актуально, когда есть две и более параллельные линии.

Рис. 1. Пример двух путей распространения сигнала между точками А и B

Доработанный алгоритм, реализованный на языке C++, рассматривает не один, а все пути от начальной до конечной точки. В рамках определения всевозможных путей строится дерево решений, каждая ветвь (путь) которого рассматривается. Так происходит в каждом узле. Таким образом, использование нового алгоритма позволит исследовать распространение сигнала на обоих путях: 1 и 2 на рис. 1. На рис. 2 приведена упрощенная блок-схема работы усовершенствованного алгоритма моделирования сигналов, его отличие от блок-схемы ранее существовавшего ранее алгоритма заключается в дополнительной проверке наличия путей распространения (шаги 8 и 10).

Ниже на рис. 3 приведено окно, разработанное с помощью Qt Designer -среды для разработки графических интерфейсов. При доработке алгоритма внесены изменения в интерфейсе: добавлена возможность выбора режима «Parallel

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

mode», при выборе которого активируется режим анализа всех возможных путей, с помощью глобальной переменной parallelMode в коде системы TALGAT.

Рис. 2. Блок-схема усовершенствованного алгоритма поиска путей распространения сигналов

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Рис. 3. Измененный графический интерфейс в системе моделирования ТЛЬОЛТ

Ранее выполнен первый шаг к проверке эффективности усовершенствованного алгоритма на нескольких примерах [14]. Однако в том случае использовалось только тестовые структуры, в то время как в данном исследования сравнение работы двух алгоритмов проводится в том числе при использовании реальной структуры модального фильтра (МФ) без одного опорного проводника, которая использовалась в другом исследовании ранее [15].

Исходные данные для моделирования

В качестве исследуемых структур, для получения результатов сравнения, использовались 6 МПЛ разной сложности (таблица 3). Структуры 1-5 - являются тестовыми, а структура 6 - реальной.

Таблица 3 - Описание исследуемых структур

№ Описание структуры Принципиальная схема Поперечное сечение

1 Двухпроводная МПЛ рис. 3 рис. 10

2 Последовательное соединение двухпроводных МПЛ рис. 4 рис. 10

3 Паралельное соединение двухпроводных МПЛ рис. 5 рис. 10

4 Паралельное соединение двух одиночных МПЛ рис. 6 рис. 9

5 Трехпроводная МПЛ рис. 7 рис. 11

6 Реальный МФ без одного опорного проводника рис. 8 рис. 12

Ниже приведены принципиальные схемы тестовых структур (рис. 4-8) и их поперечные сечения (рис. 10-12). Длина каждой линии /=0,5 м. Каждая линия разделена на 30 сегментов. Центральные резисторы=10 Ом (примеры центральных резисторов на рис. 4 - Я0, Я1, Я2 и Я3). Боковые резисторы по 68 Ом (Я4 и Я5). В качестве источника воздействия во всех случаях использовался трапециевидный СКИ с временем нарастания, плоской вершины и спада по 100 пс.

На рис. 8 приведена принципиальная схема реальной структуры МФ.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Рис. 4. Принципиальная схема двухпроводной МПЛ

Рис. 5. Принципиальная схема последовательного соединения двухпроводных

МПЛ

Рис. 6. Принципиальная схема параллельного соединения двухпроводных МПЛ

Рис. 7. Принципиальная схема параллельного соединения двух одиночных

МПЛ

Рис. 8. Принципиальная схема трехпроводной МПЛ

Важно отметить, что параметры реальной структуры отличаются от тестовых схем. Линия имеет длину /=1 м и разделена на 30 сегментов. Верхние боковые резисторы Я1, Я2, Я3 и Я4 =50 Ом, центральные нижние резисторы Я6, Я1, Я8 и Я9 =50 мкОм, боковые нижние резисторы =1 мОм.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Рис. 9. Принципиальная схема реального МФ без одного опорного проводника

Рис. 10. Поперечное сечение однопроводной МПЛ

Рис. 11. Поперечное сечение двухпроводной МПЛ

Рис. 12. Поперечное сечение трехпроводной МПЛ

Рис. 13. Поперечное сечение реального МФ без одного опорного проводника

Также стоит отдельно привести геометрические параметры поперечного сечения реального МФ: расстояние между проводниками 5=0,5 мм, ширина проводников ^=1,5 мм, относительная диэлектрическая проницаемость под-

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

ложки ег=4,5, толщина подложки И=1 мм и высота проводников ¿=18 мкм. Такой набор параметров обусловлен тем, чтобы к выходу МФ приходили отдельно все моды, которые распространяются в линии. Буквами обозначены проводники: О - опорный, А - активный и П - пассивный.

Вычисленные методом моментов матрицы коэффициентов электромагнитной Ь (нГн/м) и электростатической С (пФ/м) индукции: для однопроводной МПЛ (рис. 10)

Ь= [201,353 ] и С= [90,749 ]; для двухпроводной МПЛ (рис. 11):

L=

198,766 35,300 35,300 240,799

и C=

92,644 - 8,249 - 8,260 73,989

для трехпроводной МПЛ (рис. 12)

L=

198,643 34,796 11,748 34,796 238,52 49,052 11,748 49,052 311,487

и C=

92,669 - 8,069 - 0,837

- 8,080 75,595 - 7,331

- 0,837 - 7,344 54,682

для реального МФ без одного опорного проводника (рис. 13)

"559,984 347,588 370,206 403,473" 347,588 493,283 364,365 346,106

L=

C=

370,206 364,365 716,218 543.312

403,473 346,106 543,312 730,693 131,910 - 81,766 - 8,889 - 20,574

- 81,766 136,454 - 20,309 - 8,860

- 8,889 - 20,309 116,825 - 84,543

- 20,574 - 8,860 - 84,543 116,791

Результаты моделирования

В таблицах 4-9 приведены сравнения результатов поиска максимума и минимума напряжения при работе двух алгоритмов.

Таблица 4 - Сравнение работы алгоритмов для рис. 4

Алгоритм Максимум напряжения Минимум напряжения

Umax, В Путь (интервал) Umin, В Путь (интервал)

Старый 0,76411 3 4 (29) -0,06241 3 4 (1)

Новый 0,76411 3 4 (29) -0,09008 6 1 (29)

Разница - - 0,02799 (30,9%) Разные пути

Таблица 5 - Сравнение работы алгоритмов для рис. 5

Алгоритм Максимум напряжения Минимум напряжения

Umax, В Путь (интервал) Umin, В Путь (интервал)

Старый 0,68960 3 1 (29) -0,04559 8 9 (1)

Новый 0,68960 3 1 (29) -0,05591 11 12 (29)

Разница - - 0,01032 (22,5%) Разные пути

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Таблица 6 - Сравнение работы алгоритмов для рис. 6

Максимум напряжения Минимум напряжения

Алгоритм Umax В Путь (интервал) Umin, В Путь (интервал)

Старый 0,42901 11 10 (29) -0,03518 11 10 (2)

Новый 0,50170 6 1 (29) -0,10449 6 1 (3)

Разница 0,07269 (15%) Разные пути 0,06931 (70,4%) Разные пути

Таблица 7 - Сравнение работы алгоритмов для рис. 7

Алгоритм Максимум напряжения Минимум напряжения

Umax В Путь (интервал) Umin, В Путь (интервал)

Старый 0,63130 6 5 (29) -0,02187 6 5 (14)

Новый 0,64924 3 4 (29) -0,02187 6 5 (14)

Разница 0,01794 (3%) Разные пути - -

Таблица 8 - Сравнение работы алгоритмов для рис. 8

Алгоритм Максимум напряжения Минимум напряжения

Umax В Путь (интервал) Umin, В Путь (интервал)

Старый 0,71372 2 3 (29) -0,08969 2 3 (18)

Новый 0,71372 2 3 (29) -0,18840 5 6 (1)

Разница - - 0,09871 (110%) Разные пути

Таблица 9 - Сравнение работы алгоритмов для рис. 9

Алгоритм Максимум напряжения Минимум напряжения

Umax В Путь (интервал) Umin, В Путь (интервал)

Старый 0,63180 6 7(29) -0,49282 6 7(1)

Новый 0,63180 6 7(29) -0,49324 8 10 (1)

Разница - - 0,00042 (0,08%) Разные пути

Из таблиц 4, 5 и 8 видно, что значение максимума не изменяется. Это значит, что после анализа всех путей распространения обнаружен такой же глобальный максимум, что и в предыдущей версии алгоритма. Аналогичная ситуация с анализом реальной структуры (таблица 9). Значения минимума напряжения в данных случаях различаются от 22 до 110%, а также отличается их локализация. В реальной структуре (таблица 9) значение минимума незначительно (0,08%), при разной локализации. Из таблицы 6 видно, что при использовании нового алгоритма обнаружен новый глобальный максимум. Он находится на другом пути, при этом он больше на 15%. Локализации минимумов различны, при этом значения отличаются на 70%. Из таблицы 7 видно, что значение и локализация минимума не изменяются, а значение максимума меняется только на 3%, но при этом данный максимум обнаружен на другом пути.

Для более комплексного определения угроз безопасности структур далее рассматриваются портреты #-норм. Приведен пример их использования только для реального МФ (рис. 9). Рассчитывались #-нормы при запуске старого, ранее реализованного алгоритма и нового алгоритма, который учитывает все возможные пути распространения сигнала (таблица 10).

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Таблица 10 - Сравнение значений ^-норм в зависимости от номеров сегментов при использовании старого и усовершенствованного алгоритмов для МФ

N

Старый алгоритм

Усовершенствованный алгоритм

1

2

3

4

5

Рассмотрим таблицу 10. Разница в результатах в таблице 10 заключается в том, что, при работе старого алгоритма на графике изображены только 30 сегментов одного пути распространения, а усовершенствованного - 60 (т.е. сначала рассматриваются 30 сегментов первого пути, а потом 30 сегментов второго). Важно отметить, что в результатах ^-норм первый и последний элементы (0 и 30-й - при запуске старого, и 0 и 60-й - при запуске нового) имеют нулевые значения - это значит, что на данной схеме не приводятся нормы для сигнала на входе и выходе. На схемах с результатом работы усовершенствованного алгоритма видно, что на нем отсутствует 30-й «нулевой» сегмент, так как выходной сегмент является 60-ым. Также стоит отметить, что значения на графиках - это значения в концах сегментов, например под номером 1 это значение ^-нормы в конце сегмента 1.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

N1 в таблице 10 обозначает максимум напряжения. Таким образом, видно, что глобальный максимум сохраняется в обоих случаях. Аналогичная ситуация с N2, N3, N5: наибольшее значение сохраняется в обоих случаях. Однако при расчете N4 по усовершенствованному алгоритму обнаруживается более высокое значение N-нормы: было 8,282-10-9, а стало 8,487-10-9. А это значит, что ранее обнаружить данный факт, увеличивающий вероятность повреждения оборудования, не удавалось.

Заключение

Доработанный алгоритм поможет проводить более корректные исследования распространения сигналов вдоль различных линий, рассматривая все варианты их путей. Текущие результаты (5 тестовых и 1 реальная структуры) показали, что в большинстве случаев изменяются локализация и значение минимума напряжения, при этом максимум изменяется только в двух случаях. Это обусловливается тем, что параметры 5 из 6 структур выбраны произвольно. При анализе реальной структуры значение максимума также не изменилось, а значение минимума изменилось незначительно. В результате появилась возможность более точного анализа схем со специфичной конструкцией, когда существуют параллельные пути распространения сигнала.

В дальнейшем планируется провести сравнение при использовании более сложных реальных структур, для получения более прикладных результатов, в том числе на примере горячего резервирования. Так, показательно важен такой анализ для блока управления нагревателями бортовой аппаратуры космического аппарата, где резервируется каждый проводник параллельной трассировкой другого. Между тем отдельным направлением эффективного применения усовершенствованного алгоритма является целостность питания. Действительно, именно цепи питания и цепи возврата его обратных токов отличаются большим количеством различных запараллеленных путей. При этом очень важно в них локализовать экстремумы сигналов, которыми являются различные помехи.

Автор выражает благодарность Квасникову А.А. и Елизарову А.А. за оказанную помощь при получении результатов работы.

Литература

1. Yelizarov A. A., Nazarov I. V., Skuridin A. A., Yakimenko S. I. and Ikonnikova D. M. Features of wireless charging of mobile and wearable devices for the IoT and cyber physical systems // International Conference on Engineering Management of Communication and Technology (EMCTECH). 2020. P. 1-4. doi: 10.1109/EMCTECH49634.2020.9261567.

2. Shirai R., Wada K., Shimizu T. Failure Protection Method for CAN Communication Against EMI Noise Generated by Switched-Mode Power Supplies // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2021. Vol. 9. No. 5. P. 6152-6160. doi: 10.1109/JESTPE.2021.3053025.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

3. Xi Y., Salcedo J. A., Dong A., Liou J. J., Hajjar J.-J. Robust Protection Device for Electrostatic Discharge/Electromagnetic Interference in Industrial Interface Applications // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2016. Vol. 16. No. 2. P. 263-265. doi: 10.1109/TDMR.2016.2530701.

4. Ramdani M., Sicard E., Boyer A., Dhia S. B., Whalen J. J., Hubing T. H., Coenen M., Wada O. The electromagnetic compatibility of integrated circuits—Past, present, and future // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2009. Vol. 51. No. 1. P. 78-100. doi: 10.1109/TEMC.2008.2008907.

5. Giri D. V. High-Powered Electromagnetic Radiators: Nonlethal Weapons and Other Applications. - Harvard University Press, 2004. - 198 p.

6. Gazizov R. R., Muhambetzhanova B. S., Gazizov T. T., Kvasnikov A. A. Diagnostics of the printed circuit board bus of a spacecraft autonomous navigation system with using the #-norms // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 560. No. 1. P. 1-5. doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012017.

7. Gazizov R. R., Gazizov T. R. The models for evaluation of environment impact for the circuit board with modal reservation using N-norms // 2022 Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2022. P. 119-121. doi: 10.1109/USBEREIT56278.2022.9923342.

8. Zhechev Y. S., Zhecheva A. V., Kvasnikov A. A., Zabolotsky A. M. Using N-Norms for Analyzing Symmetric Protective Electrical Circuits with Triple Modal Reservation // Symmetry. 2021. Vol. 13. No. 12. P. 1-17. doi: 10.3390/sym13122390.

9. Achar R., Nakhla M. S. Simulation of high-speed interconnects // Proceedings of the IEEE. 2001. Vol. 89. P. 693-728. doi: 10.1109/5.929650.

10. Куксенко С. П. Методы уменьшения вычислительных затрат на анализ и оптимизацию полосковых структур и линейных антенн при их проектировании с учетом электромагнитной совместимости. Дис. ... док. техн. наук. - Томск: ТУСУР, 2019. - 436 с.

11. Kuksenko S. P. Preliminary results of TUSUR University project for design of spacecraft power distribution network: EMC simulation // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 560. No. 012110. P. 1-7. doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012110

12. Morozov S. R., Lakoza A. M. Quasi-static simulation of a double-sided PCB with triple modal reservation // 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). 2022. P. 324-329. doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906693.

13. Medvedev A. V. Interconnect Routing on two signal layers of a modal reservation PCB: a Case Study // 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). 2022. P. 301-306. doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906750.

14. Gazizov R. R., Kvasnikov A. A., Yelizarov A. A. Studying the safety of electronic circuits using an improved N-norms-based approach // 2023 International Conference «Engineering management of communication and technology» (EMCTECH). 2023. Р. 1-5. doi: 10.1109/EMCTECH58502.2023.10297013.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

15. Samoylichenko M. A., Gazizov T. R. Parametric and structural optimization of the modal filter on a double-sided printed circuit board // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1862. No. 1. P. 1-7. doi: 10.1088/17426596/1862/1/012006.

References

1. Yelizarov A. A., Nazarov I. V., Skuridin A. A., Yakimenko S. I. and Ikonnikova D. M. Features of wireless charging of mobile and wearable devices for the IoT and cyber physical systems. International Conference on Engineering Management of Communication and Technology (EMCTECH), Vienna, Austria, 2020, pp. 1-4. doi: 10.1109/EMCTECH49634.2020.9261567.

2. Shirai R., Wada K., Shimizu T. Failure Protection Method for CAN Communication Against EMI Noise Generated by Switched-Mode Power Supplies. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, vol. 9, no. 5, pp. 6152-6160. doi: 10.1109/JESTPE.2021.3053025.

3. Xi Y., Salcedo J. A., Dong A., Liou J. J., Hajjar J.-J. Robust Protection Device for Electrostatic Discharge/Electromagnetic Interference in Industrial Interface Applications. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2016, vol. 16, no. 2, pp. 263-265. doi: 10.1109/TDMR.2016.2530701.

4. Ramdani M., Sicard E., Boyer A., Dhia S. B., Whalen J. J., Hubing T. H., Coenen M., Wada O. The electromagnetic compatibility of integrated circuits—Past, present, and future. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2009, vol. 51, no. 1, pp. 78-100. doi: 10.1109/TEMC.2008.2008907.

5. Giri D. V. High-Powered Electromagnetic Radiators: Nonlethal Weapons and Other Applications. Harvard University Press, 2004, 198 p.

6. Gazizov R. R., Muhambetzhanova B. S., Gazizov T. T., Kvasnikov A. A. Diagnostics of the printed circuit board bus of a spacecraft autonomous navigation system with using the N-norms. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 560, no. 1, pp. 1-5. doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012017.

7. Gazizov R. R., Gazizov T. R. The models for evaluation of environment impact for the circuit board with modal reservation using N-norms. 2022 Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), Yekaterinburg, Russian Federation, 2022, pp. 119-121. doi: 10.1109/USBEREIT56278.2022.9923342.

8. Zhechev Y. S., Zhecheva A. V., Kvasnikov A. A., Zabolotsky A. M. Using N-Norms for Analyzing Symmetric Protective Electrical Circuits with Triple Modal Reservation. Symmetry, 2021, vol. 13, no. 12, pp. 1-17. doi: 10.3390/sym13122390.

9. Achar R., Nakhla M. S. Simulation of high-speed interconnects. Proceedings of the IEEE, 2001, vol. 89, pp. 693-728. doi: 10.1109/5.929650.

10. Kuksenko S. P. Metody ucheta vychislitel'nykh zatrat na analiz i optimizatsiyu poloskovykh struktur i lineynykh antenn pri ikh proyektirovanii s uchetom elektromagnitnoy sovmestimosti. Dis. dokt. tekhn. nauk [Methods for reducing computational costs for the analysis and optimization of strip structures and linear antennas when designing them taking into account electromagnetic

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

compatibility]. Tomsk, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 2019, 436 p. (in Russian).

11. Kuksenko S. P. Preliminary results of TUSUR University project for design of spacecraft power distribution network: EMC simulation. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 560, no. 012110, pp. 1-7. doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012110.

12. Morozov S. R., Lakoza A. M. Quasi-static simulation of a double-sided PCB with triple modal reservation. 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2022, pp. 324329. doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906693.

13. Medvedev A. V. Interconnect Routing on two signal layers of a modal reservation PCB: a Case Study. 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2022, pp. 301306. doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906750.

14. Gazizov R. R., Kvasnikov A. A., Yelizarov A. A. Studying the safety of electronic circuits using an improved ^-norms-based approach. 2023 International Conference «Engineering management of communication and technology» (EMCTECH), Vienna, Austria, 2023, pp. 1-5. doi: 10.1109/EMCTECH58502.2023.10297013.

15. Samoylichenko M. A., Gazizov T. R. Parametric and structural optimization of the modal filter on a double-sided printed circuit board. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1862, no. 1, pp. 1-7. doi: 10.1088/17426596/1862/1/012006.

Статья поступила 24 ноября 2023 г.

Информация об авторе

Газизов Рустам Рифатович - соискатель ученой степени кандидата технических наук. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». Область научных интересов: электромагнитная совместимость, информационная безопасность, моделирование систем. Тел.: +7 952 802 23 10. E-mail: gazizovtsk@yandex.ru

Адрес: 123458, Россия, г. Москва, Таллинская ул., д. 34.

An improved algorithm for studying the safety of electronic circuits using A-norms in electronic equipment

R. R. Gazizov

Problem statement: As the number of electronic devices grows, it can become difficult for them to work together. The current trend towards miniaturization motivates developers of electronic equipment to design components so that there is a minimum distance between them. However, small distances produce serious coupling issue for the device operation. More specifically, when electronic components interact,

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282

Системы управления,связи и безопасности №4. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

there is a possibility of electromagnetic interference or crosstalk that can negatively affect the performance of critical elements. This issue is particularly relevant for sophisticated critical systems, for example, large data centers or aerospace equipment. The complexity of developing devices and taking into account their safety lies in the large time costs spent on the design process. In this regard, engineers can take advantage of simulation systems and reduce this time. Moreover, they can predict and simulate scenarios that may potentially produce dangerous effects, such as electrical breakdowns, interference or sparking of components, when several wires are located close to each other. However, it is still relevant to improve simulation systems with respect to their accuracy in identifying and preventing uncontrolled behavior of electronic equipment as early as at the design stage. The purpose of this work is to present a novel algorithm that features the search for voltage extremes and the use of N-norms for identifying vulnerable places, i.e. with high peak voltages, as well as to compare the performance of this algorithm with the existing one in determining signal responses along all possible propagation paths in test and real structures. Methods: Within the framework of the study, we employ the search for extreme voltages, N-norms, and quasi-static analysis of six multi-conductor transmission lines. Novelty: A novel algorithm is introduced that determines all possible signal propagation paths of signal response using N-norms on the example of real structures. A superior performance of this algorithm is proven by comparing it with the existing one. Result: The use of the novel algorithm enabled determining all possible paths in six structures, one of which is a real modal filter. As a result, a global maximum voltage found with the improved algorithm exceeded the voltage found by the existing algorithm by 15%, and a minimum voltage - by 110%. Practical relevance: Comparing the proposed algorithm using real structures allowed us to test the work of this algorithm more widely. Its further refinement will make it possible to more accurately analyze the safety of electronic devices of increased complexity. The proposed improvement of the algorithm was implemented in the domestic software TALGAT, which is vital for the technological sovereignty of our country.

Key words: electromagnetic compatibility; N-norms; meander lines, maximum and minimum voltage.

Information about Author

Rustam Rifatovich Gazizov - Doctoral Student. HSE University. Field of research: electromagnetic compatibility, information security, system modeling. Tel.: +7 952 802 23 10. E-mail: gazizovtsk@yandex.ru

Address: Russia, 123458, Moscow, Tallinskaya street, 34.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-267-282