عنوان پایان‌نامه
تحلیل آسیب‌پذیری سیستم‌های الکترونیکی روی بردهای مدارچاپی ناشی از امواج الکترومغناطیسی بیرونی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3105;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78901;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3105;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78901
- تاریخ دفاع
- ۲۰ دی ۱۳۹۵
- دانشجو
- میلاد مهری سوخته کوهی
- استاد راهنما
- ناصر معصومی
- چکیده
- تحلیل آسیب‌پذیری الکترومغناطیسی سامانه‌‌های الکترونیکی و بویژه مدارهای پیاده‌سازی شده روی بوردهای مدارچاپی یکی از چالش‌برانگیزترین مسایل علمی و پژوهشی در حوزه سازگاری الکترومغناطیسی است. پیچیدگی جانمایی، مسیریابی و تعداد بسیار زیاد عناصر روی بوردهای چند لایه و چگال الکترونیکی از یک طرف، و طبیعت آماری و تصادفی در زوایای نسبی و دامنه امواج مهاجم در محیط از طرف دیگر، محققین را به سمت بکارگیری روش تحلیل آماری آسیب‌پذیری الکترومغناطیسی سوق داده است. روش‌های تحلیل آماری با داشتن دقت نسبی متوسط می‌توانند هزینه محاسبات را به طور چشم‌گیری کاهش دهند. سطح‌بندی شدت و کمی‌سازی میزان آسیب وارد شده به عملکرد یک سامانه الکترونیکی در یک میدان الکترومغناطیسی مهاجم بیرونی موضوع اصلی این رساله است. در این پژوهش با استفاده از تحلیل ریاضی و روش آماری، به بررسی آسیب‌پذیری یک سامانه پرداخته می‌شود. برای این منظور برای یک سامانه الکترونیکی پیاده‌سازی شده روی بورد مدارچاپی، سه سطح آسیب‌پذیری شامل تنزل کارایی، توقف عملکرد و تخریب فیزیکی تعریف می‌شود. برای تخمین میزان آسیب واردشده در هر یک از سطوح، معیارهای کمی قابل اندازه‌گیری تعریف و استخراج می‌گردد؛ معیارهایی که بر اساس اطلاعات بدست آمده از پارامترهای یک سامانه الکترونیکی روشن و در حال کار تعریف شده‌اند. در این پژوهش برای کمی‌سازی میزان آسیب‌پذیری در سطح تنزل کارایی، کمیت‌های اساسی مشاهده‌پذیر از زیر بلوک‌های تشکیل‌دهنده سامانه‌‌های الکترونیکی انتخاب و میزان تنزل آن به صورت تحلیلی استخراج می‌شود. کمیت‌هایی نظیر لغزش سیگنال، نویز فاز، بیشینه ولتاژ القایی و احتمال رخداد خطا در مسیر داده یک سامانه دیجیتال از جمله کمیت‌های منتخب برای تحلیل در سطح تنزل کارایی است. برای آسیب‌پذیری در سطح توقف عملکرد، پس از جزیره‌بندی بورد مدارچاپی سامانه، کمی‌سازی با استفاده از متغیر تصادفی احتمال رخداد خطا روی بورد الکترونیکی تعریف می‌شود. آنتروپی احتمال رخداد خطا در مجموعه جزیره‌ها، کمیتی برای تعیین میزان آسیب‌پذیری در سطح توقف عملکرد کل سامانه است. در این روش آستانه رخداد خطا در یک جزیره به میزان ولتاژ و جریان کاری مسیر موجود در آن بستگی دارد. برای استخراج ولتاژ و جریان فرضی مسیر در جزیره‌های روی بورد، توان مصرفی سامانه استخراج می‌شود. توان مصرفی سامانه را می‌توان از راه شبیه‌سازی در سطح مدار و یا اندازه‌گیری پس از پیاده‌سازی بدست آورد. همچنین برای بلوک‌های ساده الکترونیکی، از روش‌های تحلیلی می‌توان به این کمیت دست یافت. به عنوان مثال، برای گیت بافر با درنظر گرفتن سیگنال ورودی تصادفی، چگالی توان مصرفی استخراج و با استفاده از آن، متغیرهای فرضی ولتاژ و جریان کاری مسیرها بدست می‌آید. برای آسیب‌پذیری در سطح تخریب فیزیکی، همانند سطح توقف عملکرد، با جزیره‌بندی بورد و با توجه به میزان انرژی الکترومغناطیسی جذب شده در هر جزیره، چگالی حجمی و ظرفیت گرمایی ویژه قطعه، میزان افزایش دمای آن تخمین زده می‌شود. راستی‌آزمایی روش پیشنهادی برای تعیین سطح و کمی‌سازی میزان آسیب‌پذیری با ارزیابی نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌های میدانی و اندازه‌گیری‌های لازم در یک سلول TEM انجام شده است. به منظور راستی‌آزمایی روش آماری ارائه شده برای تحلیل آسیب‌پذیری در سطح تنزل کارایی و توقف عملکرد، یک سامانه دیجیتال برای انتقال و ذخیره داده روی کارت حافظه و یک بورد آنالوگ نوسان‌ساز طراحی و ساخته شده است. نتایج آزمون روی این دو بورد و مقایسه آن با نتایج تحلیلی و شبیه‌سازی حاکی از دقت قابل قبول برای روش تحلیلی پیشنهادی در رساله است. سهولت تحلیل، هزینه محاسباتی کم و قابلیت اعمال به سامانه‌‌های الکترونیکی پیچیده از مزایای اصلی این روش است. با توجه به عدم امکان شبیه‌سازی میدانی سامانه‌‌های روشن و در حال کار در نرم‌افزارهای موجود و عدم قابلیت تعیین دقیق وضعیت سیگنال در مسیرهای مختلف روی بورد، استفاده از روش‌های آماری برای تحلیل آسیب‌پذیری الکترومغناطیسی سامانه های الکترونیکی ناگزیر بوده و راهی مطمئن و جامع است.
- Abstract
- One of the most challenging issues in electromagnetic compatibility analysis of electronic systems is the radiated susceptibility assessment of the systems implemented on the printed circuit boards (PCB). Complexity of placement and routing, vast number of constituent elements in modern high density multilayer boards, and the stochastic nature of orientations and amplitude of incident waves, persuade the system designers to choose statistical approaches for analysis. These methods decrease the computational cost in expense of moderate accuracy. The main subject of this thesis is classification and quantification of radiated susceptibility of an electronic system in a harsh electromagnetic environment. The susceptibility is thoroughly investigated using mathematical and statistical models. Three main levels of hazard severity are defined and named performance degradation, operation suspension, and physical damage. For each level of hazard, quantitative and measurable criteria are defined and extracted for a system which is assumed to be in normal and safe conditions of operation. The statistical base of the proposed approach for estimating the induced voltage and current is a novel distribution function for the traces on the PCB. Trace orientation function (TOF) is proposed for statistical prediction of the PCB radiated susceptibility and emission. This function relates the orientations and the angle of incident electromagnetic wave to the location of a trace in wiring distribution of electronic board. For both susceptibility and emission of signal traces, the trace orientation function is a compact function which considers the location, orientations, and its probability of distribution. For detection of a fault, while the system is operating itself safely, threshold levels for decision on performance suspension should be defined. Hypothetical operating voltage/current levels are proposed for each element of the system. These levels are estimated by using high level information of the system and provide a statistical measure to find threshold/decision levels. The overall system fault is defined based on the entropy of faults in decision levels on entire board. In addition, a simple method is proposed for checking the physical damage of the board due to high power microwave illumination. The spectral density of power consumption for constituent blocks of the system is derived for a CMOS gate, which is needed for estimation of hypothetical operating voltage/current of the traces. Using the simplest model for power consumption, the spectral density is derived considering the PCB parasitic of the power distribution network. Verifications are done in some steps. The first step is to show the accuracy and effectiveness of trace orientation function, which is done by applying the method on a board and the results are compared with CST field solver simulations. The simulation results show 8.1% error between the statistical method and the full-wave analysis for maximum electric far-field of the board and maximum 42.4% error for the average induced voltage on whole traces. Also it is applied to an electronic control unit (ECU) board, a real electronic system in automotive industry and the results are compared with the full wave simulations in CST. Next, some HSPICE simulations are done to show the accuracy of the results for estimation of the power spectral density of digital gates. Finally, a transverse electromagnetic (TEM) cell is designed and fabricated for radiated susceptibility measurement of the system. Two digital and analog boards are designed and fabricated in order to apply the proposed approach for measuring the radiated susceptibility. The proposed statistical approach decreases the computational cost in expense of moderate accuracy. Also the feasibility of analysis is obtained in analysis of susceptibility while the system is ON and operating itself. The method is a fast and high level check, and a total solution for system analysis whether it survives a specific radiation level.
