انواع آسیب های ناشی از نویز در برد الکترونیکی:

در مقاله قبلی با علل و عوامل نویز در بردالکترونیکی آشنا شدیم. در این بخش سعی داریم به بررسی آسیب هایی که نویز ایجاد میکند بپردازیم. سپس به بررسی راه های حفاظت برد الکترونیکی خواهیم پرداخت.

ایجاد عیب های نرم افزاری در برد الکترونیکی :

EMI در برد الکترونیکی سیستم‌های دیجیتال می تواند مشکلاتی ایجاد کند.این مشکلات زمانی اتفاق می افتد که یک منبع نویز سیستم را تحت تاثیر قرار دهد. امکان دارد که اطلاعات از دست برود. امکان دارد برنامه در یک بخش تصادفی جهش پیدا کند. در این حالت سخت افزار آسیبی نمی بیند.به محض از بین رفتن نویز سیستم نیز به حالت اولیه برمیگردد.  تنها لازم است که تنظیمات مجددا انجام شود و اطلاعاتی که حذف شده اند مجدد وارد شوند.

تخلیه الکترواستاتیک از پرسنل, باعث آسیب های نرم افزاری میشود. حتی امکان دارد که سیستم فعال باشد و کار کند. اما در داخل دچار آسیب شده باشد. به مرور این آسیب باعث ایجاد یک خرابی دائمی در سیستم شود.

 گذراهای ناشی از نویز توسط هر pin، حتی pin خروجی میتوانند به تراشه آسیب برسانند. با یک اتصال pin روی تراشه به لایه زیر متصل میشود. پین خط VCC از همه بیشتر در خطر آسیب است. به علت اینکه،به تمام بخش های تراشه دسترسی دارد.

۲. ایجاد اختلال در ولتاژ بایاس

ولتاژ بایاس زیرلایه تراشه احتمل دارد با ESD، خراب شود. در برخی از تراشه­ های CPU ولتاژ زیرلایه با یک اسیلاتور تغییر فاز که در یک مدار کلمپ خازن / دیود فعال است. در ولتاژ ۲.۵- حفظ میشود. به این عمل در حلقه‌­های طراحی تراشه، پمپ شارژ میگویند.

در صورتی که زیرلایه در جهت مثبت یا منفی، خیلی تغییر کند. روال خواندن برنامه مختل میشود.جریان نشتی افزایش پیدا میکند. زیرا سطح زیر لایه اکسید میشود.  پمپ بار پایین می آید. ولتاژ زیرلایه به سطحی حاشیه ای و غیرقابل قبول می­‌رود. بنابراین به سیستم تا موقع جا به جایی تراشه CPU، نمیشود، اعتماد کرد.

اگر تراشه ای اتصال به زمین داشته باشد، ممکن است بتواند بعضی از آسیب ها را تحمل کند.باز هم آسیب ها باعث افزایش جریان نشتی میشود. ولی تا وقتی که  ولتاژ زیرلایه، مناسب باشد. خسارت ها و عیوب زیادی نمایش داده نخواهد داشت. به همین دلیل توجه کنید هر چیزی یا هر نوع اتصالی که موجب تخلیه­ های الکترواستاتیک شود. اختلال ایجاد کرده و پردازنده در این اتصال بدون محافظت از بین میرود.محافظت از برد اهمیت زیادی در طراحی برد الکترونیکی دارد.

نمونه ای از یک ولتاژ بایاس در ترانزیستور

۳.آسیب های ناشی از حرارت در برد الکترونیکی:

جدا از تراشه های MOS، تراشه­ های دو قطبی و خطی هم، احتمال دارد دچار آسیب  ESD شوند. به اتصالات PN که سبب ایجاد خرابی در سخت افزار میشوند.خرابی ثانویه حرارتی گفته میشود. یک spike جریان، مثلا جریان تخلیه الکترواستاتیک موجب میشود که نقاط میکروسکوپی به نقطه ذوب برسند.

مکانیزم­های خرابی تعداد زیادی دارند. گذرای ناشی از نویز در زیرلایه، اگر در وقت مناسب نباشد. احتمال دارد در روند خواندن برنامه، خطا ایجاد کند. اگر در خظ تغذیه مشکلی پیش آید. احتمال دارد یک بیت در کانتر برنامه و یا رجیستر­ها خطا پیدا کند. اگر در خط تغذیه،  قطع کوتاه یا معکوس شدن اتفاق بیوفتد، پردازنده خاموش میشود.

با توجه به مطالب بالا نتیجه میگیریم که تنها تراشه موجب نویز نمیشود.ممکن است ساخت برد ضعیف این موضوع را ایجاد کند.

۴.ایجاد حلقه‌­های جریان در برد الکترونیکی:

در محافظت از برد طراحی برد الکترونیکی از پایه اهمیت دارد. پس دقت کنید که سفارش طراحی برد الکترونکی خود را به چه گروهی می سپارید. برای عبور جریان الکتریکی به مسیر نیاز است. باید این مسیر بسته باشد. اما خیلی از طراحان برد به این قضیه اهمیت نمی دهند. حلقه جریان با اختراع نماد زمین در مدار نادیده گرفته میشود.در مدارزمین به عنوان یک بخش لینک بی پایان جریان است. یعنی اینکه هر مقدار جریان به آن وارد و در واقع فراموش میشود ولی وجود دارد. به دلیل اینکه این جریان به منبع بازگردانده میشود تا حلقه بسته حفظ شود.

اگر از یک سیم جریان عبور کند. در اطراف سیم میدان مغناطیسی تولید میشود. دو سیم موازی شامل جریان­های +I و -I در خطوط تغذیه سیگنال و برگشت وجود دارد.این سیم امکان ایجاد میدان مغناطیسی در نزدیکی سیم­ها دارند. برای به حداقل رساندن تداخل میدان­ها با سیگنال­های دیگر باید نزدیکی بین مسیرهای تغذیه و بازگشت آنها حل شود. یعنی باید مساحت های آنها را کم کرد.

نتیجه می گیریم جهت کاهش EMI یا حساسیت نسبت به آن، بهتر است، مساحت حلقه­ های جریان در برد الکترونیک کم شود. این یک راه عالی برای محافظت از برد است.

شیوه های محافظت از برد :

برای محافظت از برد سه روش کلی زیر وجود دارد که به اختصار با آنها آشنا میشویم.

۱.حفاظت در برابر کوپلینگ خازنی
۲.حفاظت در برابر کوپلینگ القایی
۳.حفاظت RF

کوپلینگ خازنی به عبارتی همان کوپلینگ میدان الکتریکی است. یعنی محافظت از برد در برابر آن یا محافظت در مقابل میدان های الکتریکی.

کوپلینگ القایی یعنی  کوپلینگ میدان مغناطیسی. در نتیجه جهت محافظت از برد در این مورد یعنی محافظت در برابر میدان مغناطیسی . این موضوع با محافظت در برابر موادمغناطیسی متفاوت است.

حفاظتRF، یعنی یک سد فلزی مقابل انواع میدان­‌های الکترومغناطیسی. نوع ماده حفاظت در این بخش اهمیت دارد.

حفاظت در برابر کوپلینگ خازنی:

این نوع شامل عبور سیگنال­ها در ظرفیت خازنی نامطلوب بین سیم‌­های مدار یا سیم­ها و قطعات الکترونیکی در مدار می باشد. ظرفیت‌های خازنی ناخواسته ای هستند که در مدار به وجود می آیند. اثر انها مانند خازن است اما شاید تاثیرآنها حس نشود.اگرکوپلینگ خازنی یک فرد را حس کند و فرد از مدار عبور کند، فرکانس مدار تغییر خواهد کرد. امکان دارد در یک سیستم دیجیتالی موجب تداخل سیگنال در کابل­‌های چند سیمه گردد.

برای محافظت ازبرد دربرابر کوپلینگ خازنی، باید مدار و یا قطعه رسانای خاص در مدار،در حفاظ فلزی نگهداری شوند. به این روش حفاظ الکترواستاتیک یا فارادی میگویند. در صورتی که پوشش حفاظ ۱۰۰٪ باشد. دیگر نیازی به زمین شدن ندارد. ولی جهت اطمینان خاطر از اینکه ظرفیت خازن مداربه زمین مرجع سیگنال دارد. از طرفی با توجه به فرمت مکانیکی بهتر است زمین شود.

حفاظت در برابر کوپلینگ القایی:

 قانون فارادی میگوید زمانی که یک مدار، در تاثیر یک چگالی شار مغناطیسی B از یک منبع خارجی قرار گیرد. یک ولتاؤ در مدار القا میشود.طبق قانون لنز جهت جریان حاصل از ولتاژ القایی قابل اندازه گیری ست. طبق این فرمول: v=-NA (dB / dt)  در این حالت N =1 و A مساحت حلقه جریان هستند.

محافظت از برد در مقابل این جریان القایی، یعنی تلاش برای کم کردن میدان های مزاحم. اگر مساحت حلقه جریان در مدارکم شود. این اتفاق قابل انجام است.یعنی کنترل ابعاد حلقه­‌های جریان در مدار صورت میگیرد.

نمونه ای از کوپلینگ القایی

حفاظت در برابر RF:

اگرمیدان الکتریکی متغیر با زمان باشد. بنابراین یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد می­‌کند. عکس این قضیه نیز صادق است. نسبت دامنه­‌های میدان الکتریکی و مغناطیسی(E / H) در اطراف یک منبع میدان EM متغیر با زمان ،۳۷۷ اهم است. نزدیک به منبع این نسبت به ماهیت منبع تغییرمیکند. میدان دور far field به میدانی گفته میشود که این نسبت ۳۷۷ اهم است. میدان نزدیک near field میدانی ست که متفاوت با ۳۷۷ است.

در میدان نزدیک، طول موج از منبع خارج میشود. در ۱ مگاهرتز، حدود ۱۵۰ فوت و در ۱۰ مگاهرتز حدود ۱۵ فوت است. در صورتی که منبع EMI در نزدیکی مدار باشد. میدان نزدیک به وجود می آورد. میدان نزدیک، مشکل تداخل RF به علت کوپلینگ میدان الکتریکی یا کوپلینگ میدان مغناطیسی است. بنابراین این مسئله در انتخاب نوع حفاظ RF تاثیرگذار است.