ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СБОИ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУБНАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

February 11, 2013 by admin Комментировать »

Бердин С. А., Загвоздкин Б. В., Магда И. И., Чупиков П. Т. Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина e-mail: imagda@online.kharkiv.com, тел:+38-057-751-2669

Аннотация – Приводятся методики и результаты тестов функциональных сбоев и выхода из строя персонального компьютера (ПК) в условиях действия импульсного электромагнитного излучения сверхкороткой длительности (ИЭМИ СКД). Обсуждаются особенности реакции ПК и компонентов при действии ИМЭИ с узкополосным (УП), и сверхширокополосным (СШП), спектрами.

I.                                       Введение

Тесты на электромагнитную совместимость и стойкость (ЭМСС) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и цифровой электронной техники (ЦЭТ) в условиях действия ИЭМИ нано- и субнаносекундной длительности являются сложными как сточки зрения измерения параметров излучения СКД, так и регистрации состояния объекта тестов (ОТ). Во многих случаях, ввиду высокой степени интеграции и сложности ОТ, определение характера отказа, а также наблюдение процесса сбоя в реальном масштабе времени оказывается затруднительным и ограничивается фиксацией его конечного состояния [1]. Ниже приводятся результаты экспериментального исследования и сравнительного анализа реакции ПК и его компонентов при действии ИЭМИ с УП {fo =3 ГГц, Af=0.05 ГГц) и СШП, (fmax/fm/n=0.2/10 ГГц) спектром.

II.                        Стенды ЭМСС тестов

Для проведения систематических ЭМСС испытаний РЭА и ЦЭТ в ННЦ «ХФТИ» созданы стенды ИЭМИ СКД на диапазон напряженности поля 0.1-100 кВ/м [2,3]. УП и СШП ИЭМИ стенды имеют, соответственно, длительность импульса 7и 15-45 не и 3-5 не, а также длительность фронта Тф 5-7 не и 0.2-0.3 не. УП СВЧ стенд использует в качестве рабочей зоны полуоткрытую безэховую камеру (V>2 м®), а СШП стенд – ТЕМ ячейку – полосковую линию (V-1 м®). Стенды оборудованы датчиками £-поля, а также оптическими и электрическими каналами сбора информации (с Af – 0.7 и 3.5 ГГц, соответственно) для регистрации реакции облучаемого ОТ.

III.              Результаты ЭМСС тестов ПК

Условия тестов. Тесты ПК проводились в режимах: одиночных (УП ИЭМИ), одиночных и периодически повторяющихся импульсов с частотой до 50 Гц (СШП ИЭМИ). В качестве ОТ использованы несколько комплектов ПК на основе процессора Р-1 с различной схемотехникой системной платы, локальных шин ISA и PCI, модулями оперативной памяти SIMM и DIMM. В ПК использовался DOS с оболочкой VC 4.9. Действию ИЭМИ подвергались как полный комплект ПК и ПК с макетом сетевого кабеля, так и компоненты: манипулятор-мышь, кпавиатура, монитор, системный блок, блок питания.

Для исследования действия ИЭМИ с различной напряженностью £-поля компоненты ПК размещались в соответствующих областях рабочей зоны стендов, а остальные компоненты ПК – в экранированном боксе, оборудованном автономным питанием. Соединительные кабели ОТ тщательно экранировались с помощь нескольких слоев проводящей углеродной ткани.

Измеряемые параметры. До начала проведения и по завершении тестов регистрировалось время выполнения загрузочной программы ПК. В течение тестов наблюдалась реакция ПК и компонентов на действие ИЭМИ по сигналам на различных шинах системной платы (питания 5 В и 12 В, портов СОМ1 и COM2, синхросигнала слотов ISA и PCI).

Эффекты, наблюдаемые в ОТ в течение тестов на действие ИЭМИ СКД, сильно зависели от большого числа параметров ИЭМИ и их сочетаний:

•   амплитуды Е-поля,

•   формы (структуры спектра) воздействующего импульса,

•   частоты повторения импульсов воздействия,

•   поляризации.

Обший характер реакции ОТ

а)         Отмечена высокая чувствительность ОТ к действию УП и СШП ИЭМИ, что проявлялось (по мере увеличения £) как возмущения сигналов шин, функциональные сбои, частичный или полный выход из строя наиболее уязвимых компонентов ОТ. Наиболее чувствительные ОТ: клавиатура, манипулятор- мышь, системный блок.

б)         Функциональные сбои ПК. При всех условиях ЭМСС тестов ОТ, начиная с некоторого порогового значения для каждого ОТ £п.ф=1-3 кВ/м, наблюдалось формирование интенсивного откпика шин системного блока. Действие ИЭМИ СКД на любой из элементов или весь комплект ПК приводило к возмущению сигналов на шинах PCI/ISA, СОМ1, COM2, а также шине питания. Табл. 1. Результатом каждого из сбоев являлась самостоятельная перезагрузка ПК. В отдельных случаях происходило «зависание» ПК, требующее принудительной перезагрузки.

Длительность реакции любой из исследуемой цепи существенно превышала длительность ИЭМИ. В то же время, возмущения сильно зависели от вида тестируемого компонента, конфигурации ПК, положения подводящих кабелей в рабочей области и их экранировки. Характер и амплитуда реакции коррелировали с интенсивностью ИЭМИ СКД.

В результате ряда тестов отмечено изменение времени выполнения загрузочной программы.

в)         Деградация компонентов ОТ соответствовала более высоким пороговым значениям £-поля (£п.д>30 кВ/м для режима однократных тестов). В то же время, она не имела прямой корреляции только с превышением критического значения £- поля. Об этом свидетельствуют выходы из строя ОТ в режиме повторяющихся тестов даже при £ = 1-10 кВ/м.

IV.         Анализ результатов реакции ПК на действие ИЭМИ СКД

Возмущения на шинах ПК

Реакция ПК на действие ИМЭИ СКД проявляется в УП И СШП тестах уже при Е>1 кВ/м. Характер реакции на различных шинах различный. При малых уровнях Е-поля (до 5 кВ/м) отмечаются одиночные выбросы, регулярные или хаотические затухающие колебания. Длительность реакции для УП ИЭМИ Гр=0.2-1 мкс (-5-25 Ги), а для СШП ИЭМИ Гр=0.05 мкс (>10 Ги).

Таблица 1. Реакция шин ПК на различные уровни ИЭМИ СКД с УП спектром (слева) и СШП спектром (справа).

Table 1. Response of PC buses to various levels of USPEMR with NB (left) and UWB (right) spectra.

Функциональные сбои

Характер реакции – почти всегда хаотические (или регулярные, переходящие в хаотические) колебания достаточно низкой частоты (-5-15 МГц). Длительность реакция увеличивается: для СШП ИЭМИ при Е>10 кВ/м Гр=0.6 мкс (>100 Ги), а для УП при Е>5-7 кВ/м Гр=1.5-2 мкс (-50 Ги). При увеличении жесткости фактора (Е >10 кВ/м для СШП ИЭМИ и Е >7 кВ/м ДЛЯ УП ИЭМИ) – добавляются НЧ релаксации (с частотой менее 3-5 МГц). Такая динамика отклика типична ДЛЯ сложных электрических цепей при возбуждении нелинейных явлений, связанном с избыточным (по сравнению со штатным) уровнем внешнего сигнала. В случае, если релаксации охватывают несколько циклов синхросигнала неизбежно возникают сбои и зависания ПК.

Наиболее чувствительными компонентами ПК к сбоям являются: клавиатура, мышь и системный блок. Пороговые уровни функциональных сбоев приведены в Табл.2.

Выход из СТРОЯ

Во всех случаях тестов выход из строя происходит наиболее часто для тех же ОТ (клавиатура, мышь, системный блок ПК), которые являются наиболее чувствительными к внешним полям СКД.

В режиме одиночных импульсов деградации ОТ происходят с наибольшей вероятностью при Е=150- 200 кВ/м ДЛЯ УП ИЭМИ и Е>100 кВ/м для СШП ИЭМИ. В режиме повторяющихся импульсов отказы соответствуют уровню Е-поля на порядок ниже, Еп д -30 кВ/м ДЛЯ СШП ИЭМИ СКД. Условия выхода из строя ОТ при частотном режиме тестов УП ИЭМИ в данном цикле работ не исследовался.

Различия в реакции ОТ на действие ИЭМИ СКД

При действии СШП ИЭМИ отмечена большая чем ДЛЯ УП ИЭМИ чувствительность ОТ в отношении функциональных сбоев и отказов. Спектр излучения является важным фактором воздействия излучения. СШП сигнал с большей вероятностью возбуждает цепи ОТ, благодаря размерным резонансам с различным пространственным масштабом пЛ/4 – от единиц до нескольких десятков сантиметров. В силу этого более уязвимыми объектами являются устройства со сложной структурой и кабелями (клавиатура, мышь, системный блок). Проверка «антенного» эффекта с помощью экранирования кабелей, а также изменения их места и высоты над металлической поверхностью показала различия в сигналах реакции цепей ПК до нескольких десятков раз. В то же время, большая спектральная плотность поля УП сигнала (/\о=0.1 м) оказывалась не всегда реализованной, возможно, из-за того, что его спектр находится вне резонансных зон большей части открытых компонентов ОТ.

Как следствие вышесказанного, условия экранирования сильно влияют на сбои ОТ. Поэтому объекты, имеющие сложную конструкцию, без сплошного экрана или со щелями в экране (например, корпус системного блока ПК), потенциально труднее защитить от воздействия СШП сигнала.

Вторым существенным фактором ИЭМИ, который проявляется при взаимодействии со сложноструктурными объектами, является поляризация. Для оптимально поляризованного ИЭМИ создаются лучшие условия ДЛЯ создания наведенных токов внутри экранов с регулярными щелями или в кабелях, благо

даря чему возникает высокая чувствительность к ориентации объекта в целом.

Еще одним важным параметром ИЭМИ является полная энергия СВЧ сигнала. В нашем случае, для УП сигнала она больше, т.к. связана с большей длительностью импульса (40 не) в отличие от СШП импульса (4-5 не). При одинаковом значении £-поля она почти в 10 раз больше энергии СШП импульса. Как видно, для УП ИЭМИ существует возможность более эффективного воздействия на состояние ОТ, благодаря локальным тепловым эффектам и связанных с ними необратимыми деградациями в микроструктурах элементной базы. Иногда для поражения объекта достаточно однократной экспозиции.

Таблица 2. Уровни сбоев и деградации ПК и компонентов в условиях действия различных типов ИЭМИ СКД. Тable 2. Failure and degradation levels of PCs and computer components affected by various types of USPEMR.

Объект тестов Units under test

Компонент

Уровень сбоев, Еп ф ,кВ/м

Уровень деградации, Еп д, кВ/м

УП

ИЭМИ

СШП ИЭМИ

СШП ИЭМИ

Частотный режим

УП

ИЭМИ

СШП ИЭМИ

СШП ИЭМИ

Частотный

режим

Однократный режим

Однократный режим

Units under test

Component

Failure level. El f ,kV/m

Degradation level, EL.D,kV/m

NB

PEMR

UWB PEMR

UWB PEMR Repetitive mode

NB

PEMR

UWB PEMR

UWB PEMR

Repetitive

mode

Single-pulse mode

Single-pulse mode

Элементы ПК (ПК стандартная конфигурация)

PC components (standard configuration)

Клавиатура

Keyboard

2-7

1-3

1-3

> 100- 160

30

1-3

Мышь

Mouse

2-7

3-10

1-10

> 180- 200

30-40

1

Системный блок

System unit

> 10

3-5

3

> 100

> 100

3

Монитор

Monitor

10

10

> 100- 160

<100

10

ПК с макетом сети

PC with network

cable

(3 m)

Макет сети

Simulated

network

> 5-6

> 10

(в зависимости от близости к экрану)

(depending on distance to metal shield)

1-10

1*

ПК (стандартная конфигурация)

PC

(standard configuration)

Полный

Комплект

Complete

set

Н/Д

n/a

10

(кабели на металлическом столе)

(cables on metal table) 1-3

(кабели на высоте 10 см от метал, стола)

(cables at 10 cm above metal table)

Н/Д

n/a

Н/Д

n/a

Н/Д

n/a

Источник питания ПК

PC power supply unit

Источник питания Power supply unit

Н/Д

n/a

30

30

> 120- 160

> 100

Однако можно предположить, что большая эффективность сбоев и деградации компонентов ПК, отмеченная для случая СШП ИЭМИ, обязана не только «антенному» эффекту. Как показывают данные тестов элементной базы [4], в условиях действия сигнала СКД (с 7и<1 не) реализуется адиабатический или т.н. «нетепловой» режим воздействия ИЭМИ. При этом в микроструктурах компонентов может происходить накопление необратимых изменений в течении большого числа экспозиций. В нашем случае это подтверждается частым выходом из строя ПК в результате 10-25 экспозиций даже при £«£п.д. В связи с этим можно сделать вывод, что воздействия импульсных СШП ИЭМИ СКД с большой частотой повторения являются наиболее опасными для сложноструктурного электронного оборудования.

Представлены методики и результаты тестов ПК и компонентов в условиях действия ИЭМИ СКД с узкополосным и сверхширокополосным спектрами. Приведены значения критических уровней £-поля, приводящих к сбою ПК и выходу из строя компонентов. Наиболее уязвимыми ОТ являются манипуля- тор-мышь, кпавиатура и системный блок. Отсутствие экранирования корпусов и соединительных кабелей, а также повторяющийся режим экспозиций увеличивает уязвимость объектов.

VI.                              Список литературы

[1] J. LoVetri, А.Т.М. Wilbers, А.Р.М. Zwamborn. Microwave interaction with a personal computer: Experiment and modeling, Proc. of 13"’ Int. Zurich Symposium on EMC. Zurich, Switzerland, 1999, p.203-206.

[2] S.P. Bludov, N.P. Gadetski, et al. Generation of high-power ultra-short microwave pulses and their effect on electronic devices. Plasma Phys. Rep. 1994, 20, p.643-648.

[3] Вердин C.H., Гадецкий Η.П., и др. Испытательный стенд для тестов на электромагнитную совместимость к импульсным полям сверхкороткой длительности. В кн.: 14-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2004). Материалы конф. [Севастополь, Сент. 2004 г.] – Севастополь: Вебер, 2004, с.586-589.

[4] Магда И.И., Блудов С.Б., и др. Исследование физических механизмов деградации изделий электронной техники в мощных электромагнитных полях, В кн.: 3-я Крымская конф. «СВЧ-техника и спутниковый прием». Материалы конф. [Севастополь, Сент. 1993 г.]. – Севастополь: Вебер, 1993, 5, с.523-536.

FUNCTIONAL FAILURES OF PERSONAL COMPUTERS CAUSED BY SUBNANOSECOND PULSE EMR

Berdin S. A., Zagvozdkin B. V.,

Magda I. I., Chupikov P. T.

National Scientific Center Institute of Physics and Technology’

1 Academicheskaya Str., Kharkiv, 61108, Ukraine e-mail: imagda@online. kharkiv. com

Abstract – Techniques and results of testing functional failures and breakdowns of personal computers affected by ultrashort pulse electromagnetic radiation (USPEMR) are presented. Specific responses of PCs and their components to EMR with narrowband (NB) and ultra-wideband (UWB) spectra are discussed.

I.                                       Introduction

Testing EM compatibility and resistivity (EMCR) of electronics with high levels of integration and complexity, establishing failure causes, as well as monitoring failure process in real time is usually complicated and restricted to registering the final state of units under test [1]. Results of experimental research into the response of PCs and their components to NB {fo =3GHz, Af=0.05GHz) and UWB (WU=0.2/10 GHz) USPEMR are discussed below.

II.                                EMCR Test Setup

To conduct EMCR testing of radio and digital electronics on a systematic basis, the Kharkiv Institute of Physics and Technology designed USPEMR benches for the 0.1-100 kV/m range of E-field intensity [2, 3]. NB and UWB PEMR benches provide pulse duration Гр of 15-45 ns and 3-5 ns, as well as pulse rise times Tr of 5-7 ns and 0.2-0.3 ns accordingly. For operating area, the microwave NB bench used a semi-open anechoic chamber (V>2 m^), while the UWB bench – a ТЕМ cell (V~1 M^). To register responses of irradiated UUTs, the benches were equipped with E-field sensors, as well as optical and electric data acquisition links {Af of 0.7GHz and 3.5GHz accordingly).

III.                               EMCR Test Results

Test conditions. PC testing was conducted in the following modes: single-pulse for NB PEMR; single and repetitive pulse at frequencies of up to 50Hz for UWB PEMR. Several Pentium- based PCs with different motherboard circuitry, local buses (ISA and PCI), and RAM modules (SIMM and DIMM) were used for testing.

Measured parameters. Responses of PCs and their components affected by USPEMR were monitored in several motherboard buses, including the 5V/12V power supply bus, C0M1/C0M2 ports, and ISA or PCI slot clock.

Effects observed in UUTs were greatly dependent on a number of USPEMR parameters and their combinations, including: •E-field amplitude,

•signal form (spectrum),

•frequency of pulse repetition,

•polarization.

General features of response.

a)         High sensitivity of UUTs to NB and UWB PEMR as E increased was manifested in the following way: bus signal interference, functional failures, selective or complete breakdown of the most vulnerable PC components. The most sensitive UUTs included keyboard, mouse, and system unit.

b)         Functional PC failures. For all conditions of EMCR tests, intense responses of all system unit buses were registered beginning at certain threshold levels Elf=1-3 kV/m set for each UUT. Exposure of any PC component or the whole PC system to USPEMR resulted in signal interference in PCI/ISA buses, C0M1/2 interfaces, and power supply bus. Every functional failure resulted in self-reboot of PCs. Sometimes the machines hung up requiring warm boot.

For any investigated circuit, the duration of PC response significantly exceeded the duration of USPEMR. At the same time, disturbances greatly depended on PC configuration, type of tested component, position of connecting cables in operating area and their shielding. The pattern and amplitude of responses correlated with the intensity of USPEMR. Several tests have shown variations in startup program execution time.

c)         Degradation of PC components corresponded to higher threshold E-field values (El.d>30 kV/m for a single-pulse mode). At the same time, it had no direct correlation to exceeded critical values of Eld only. Failures in UUTs occurred during repeated tests even at E=1-10 kV/m.

IV.            Analysis of PC Response to USPEMR Interference

Interference in bus signals. During NB and UWB PEMR interference testing, PCs responded even at E>1 kV/m. The pattern of responses was not the same in different buses. At low E levels (<5 kV/m), regular or chaotic damped oscillations were mostly observed. Duration of responses was 7r=0.2-1 μs (~5- 25 Гр) for NB, and Tr=0.05 μs (>10 Гр) for UWB PEMR.

Functional failure. The pattern of responses was mostly chaotic (or transforming from regular into chaotic) with low oscillation frequencies of ~5-15MHz (Table 1). The response duration increased: at E>5-7 kV/m Tr=1.5-2 μs (-50 Гр) for NB PEMR, and at E>10 kV/m Гк=0.6 μs (>100 Гр) for UWB PEMR. The increased intensity of E-field (E >7 kV/m for NB PEMR and E >10 kV/m for UWB PEMR) provided LF relaxations of F~3- 5MHz. Whenever relaxations covered several cycles of the clock, they caused PC failures and hang-ups. The PC components most sensitive to functional failures included keyboard, mouse, and system unit. Threshold levels for functional failures are given in Table 2.

Breakdowns. In all instances of testing, breakdowns occurred most frequently in those UUTs (keyboard, mouse, system unit) that were most sensitive to functional failures. For UWB PEMR, the levels of E-field corresponding to the repetitive pulse mode were one order of magnitude lower (Eld ~1-3 kV/m) than those in the single-pulse mode. For NB interference, comparison between single-pulse and repetitive modes was not investigated.

Differences in UUT response. As opposed to NB, the UWB interference showed UUTs to be much sensitive to functional failures and breakdowns. This may be explained by the following:

•      possible excitement of dimensional resonances on different spatial scales in UUT circuits,

•      difficulties in providing adequate shielding for electronic components and cables,

•      effects of optimally polarized PEMR.

Particular attention should be paid to the problem of total absorbed energy of USPEMR signals. At equal values of E-field, the energy of NB signals is 10 times higher than that of UWB signals due to higher Гр. However, tests of circuitry resistance to EM [4] have demonstrated that in the USPEMR environment (Гр<1 ns) an adiabatic or the so-called ‘non-thermal’ mode of PEMR interference may emerge. As this takes place, accumulation of nonreversible changes in microstructure of components may occur during repeated exposures. It has been confirmed during the above testing by frequent PC breakdowns following 10-25 exposures, even at E«El.d.

V.                                      Conclusions

Techniques and results of testing PCs and their components for vulnerability against the NB and UWB USPEMR interference are presented. Critical E-field levels at which failures of PC and breakdown of PC components occur have been obtained. The most vulnerable units included mouse, keyboard and system unit. Vulnerability of UUTs increased with unshielded cabinets and connecting cables, as well as following repeated exposures.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты