какие устройства применяются для фильтрации в цепях питания технических средств
Эволюция фильтров в цепях питания электронных схем
в разделе «Статьи» на сайте
www.electrosad.ru
Развитие электронной техники прямо связано с электропитанием их узлов. И отнесенным к этому разделу фильтров в цепях питания. Раньше их задачей было только подача качественного напряжения питания к узлам электронных узлов. В цифровой технике они решают не только задачи обеспечения питанием, но и перекрытие их цепей питания от распространяющихся по ним помех и паразитных каналов связи.
1. Фильтры в цепях питания радиоаппаратуры
Все фильтры в цепях питания выполняются по схеме Г-образных фильтров НЧ, которые предотвращают прохождение по цепям питания помех и паразитных сигналов. Применяют RC фильтры в слаботочных низкочастотных цепях и LC в высокочастотных цепях, где не должно быть потерь напряжения.
Рисунок 1
Рисунок 2
В схемах электронных устройств обычно применяются несколько звеньев RC или LC Г-образных фильтров, поэтому они эффективно подавляют помеху в цепях питания.
Эти фильтры обладают одной особенностью. Дросселя как любые катушки индуктивности обладают индуктивной связью (взаимоиндукцией) и в случае их расположения в цепочку при близком расположении именно с помощью индуктивной связи возможно появление канала распространения помехи с выхода устройства на его вход.
Для того чтобы такого канала не возникало, надо принимать специальные меры.
Это расположение дросселей во взаимно перпендикулярных направлениях или экранирование узлов.
Обратите внимание, неграмотно спроектированные звенья такого фильтра могут резонировать, често создавать ситуацию когда помеха не только не подавляется, но и усиливается.
Все показанные выше фильтры предназначены для фильтрации питающего напряжения поступающего к узлам устройства.
2. Фильтры для подавления помех в цепях питания дискретных устройствах
Существует категория устройств, которую необходимо не только питать качественным напряжением, но поскольку эти устройства сами генерируют помеху, еще и защищать их от взаимного проникновения этой помехи по цепям питания. Это дискретные устройства.
На странице сайта «Сравнение различных конструкций фильтров применяемых производителями системных плат» рассказано о применении фильтров в дискретных быстродействующих устройствах. У подобных фильтров есть своя специфика, определяемая в первую очередь новым видом помехи. Это широкополосная помеха. Полоса частот занимаемая помехой определяется в первую очередь продолжительностью ее фронта. (О помехе см здесь.)
Решение проблемы не заставило себя ждать.
Разработчики на каждой плате (узле) дискретного (цифрового устройства) стали ставить один оксидный конденсатор и на 1-5 корпусов микросхем по керамическому конденсатору. Дополнительно к описанным в разделе 1 фильтрам. Это известное всем работающим с дискретной техникой решение.
Это решение, если не считать необходимости иногда подбирать место подключения керамических конденсаторов, в общем как-то решило проблему.
3. Фильтры в цепях питания сверх больших интегральных схем процессоров, чипсет’ов, модулей памяти
Именно для снижения уровня помех генерируемых этим процессором Intel была вынуждена поставить на держатель кристалла первые восемь конденсаторов дополнительного фильтра.
Почему вдруг помехи возникли?
Они не возникли, они были всегда, даже на самых простых дискретных микросхемах, как было показано выше. И до этого процессора, их проблему решали снижая индуктивности линий распределения питания (оптимизируя взаимное положение процессора и источника питания и разводку на системной плате), применяя оксидные конденсаторы в фильтре источника питания процессора с меньшими индуктивностями. Но в конце концов наступил момент когда ранее применявшиеся решения уже не давали необходимого эффекта.
Что это за условия?
Все это позволило говорить новой категории, о мощности генерируемых помех. При сохранении помехи и воздействии ее на процессор и другие узлы системной платы появилось и чисто энергетическое ее воздействие. Порядок ее величины можно оценить в диапазоне от 3,8 Вт до 1,5 Вт.
С этого момента началась борьба с энергетической составляющей генерируемой помехи.
В двух словах, к чему приводят помехи генерируемые процессором (подробнее здесь)?
Возвращаемся к фильтрам.
Учитывая специфику генерируемой помехи,
их (помех) максимальная частота выше тактовой частоты процессора. Поэтому фильтроваться существующими фильтрами имеющимися в цепи питания они не могут, по причине других задач стоящих перед этими фильтрами. Вот и начали множится, с этого времени, дополнительные конденсаторы на держателе процессора и под ним. Их комбинации меняются даже если просто увеличивают тактовую частоту процессора.
Но это только частное решение, не обеспечивающее стабильность работы компьютера. Признаки этого плохая разгоняемость процессора и нагрев оксидных конденсаторов фильтра в цепи питания процессора.
Более сложные решение в разные времена применяли AMD и Intel.
Вы видите достаточно сложную схему разводки питания процессора, где паразитные (включенные в токовую цепь) индуктивности имеют достаточно малую величину. L1,2; L6-8 и L9,10 индуктивности разводки линий распределения питания по системной плате выполненные по нормам полосковых линий и поэтому их индуктивность минимальна. L3 и L11 индуктивности штырьковых соединителей панели и процессора. При многократно превышающих реальных индуктивностей одного штырька параллельное соединение более 150 контактов Power и несколько большее Ground из общего числа 603 контактов соединительной панели дает возможность снизить суммарную индуктивность за счет их параллельного соединения.
На рисунке 6 хорошо видны конденсаторы на панели процессора, это C3, С8 и С4, С9.
С1, по данным описания, стоит на процессоре и как написано там имеет индуктивность равную НУЛЮ?
Но! Берем известную формулу:
И получаем резонансную частоту цепочки L13 C9 (без учета ESL C9) около 26 МГц, что означает, на частотах выше резонансной цепочка представляет собой индуктивность. Это звено работает только до приблизительно 24 МГц. А с учетом ESL эта частота, в лучшем случае, снижается до 7,9 МГц! Вот это фильтр!
По моим прикидкам резонансная частота С1 с внутренними индуктивностями тоководов на кристалле составляет от 12 до 20 МГц.
Это тоже называют фильтром!
Данный фильтр работает, но в весьма ограниченном диапазоне частот.
Как работают конденсаторы в фильтрах и ограничения накладываемые на их применение конструкцией кратко описано в статье «Свойства конденсатора и их влияние на его применение».
Меры и средства технической защиты конфиденциальной информации от утечки по техническим каналам утечки информации
15.2.1.2. Заземление
Выделяют три основных типа заземления: одноточечное, многоточечное, комбинированное.
На рис. 15.1 представлена одноточечная последовательная схема заземления.
Одноточечная параллельная схема заземления лишена данных недостатков, то есть протекание обратных токов в общей цепи исключено ( рис. 15.2). Тем не менее, количество проводников здесь больше, следовательно, труднее обеспечить требуемый для заземления уровень сопротивления. Более того, между проводниками могут возникать нежелательные связи, которые создают несколько путей заземления для каждого устройства. В результате в системе заземления могут возникнуть уравнительные токи и появиться разность потенциалов между различными устройствами.
Как правило, одноточечное заземление применяется на низких частотах при небольших размерах заземляемых устройств и маленьких расстояниях между ними. На высоких частотах при больших размерах заземляемых устройств и значительных расстояниях между ними используется многоточечная система заземления. В промежуточных случаях эффективна комбинированная (гибридная) система заземления, представляющая собой различные сочетания одноточечной, многоточечной и плавающей заземляющих систем.
Ключевой характеристикой заземления является электрическое сопротивление цепи заземления. Сопротивление заземления определяется главным образом сопротивлением растекания тока в земле. Чем ниже сопротивление, тем эффективнее заземление. Сопротивления заземляющих проводников, а также земляных шин должны быть не более 4 0м. Величину сопротивления можно снизить за счет уменьшения переходного сопротивления (между заземлителем и землей) путем тщательной очистки поверхности трубы от грязи и ржавчины, подсыпкой в лунку по всей ее высоте поваренной соли и утрамбовкой почвы вокруг каждой трубы.
15.2.1.3. Фильтрация опасных сигналов
Еще одним методом локализации опасных сигналов является фильтрация. Фильтрация применяется к источникам электромагнитных полей и наводок с целью предотвращения распространения опасных сигналов за их пределы. Для фильтрации в цепях питания технических средств применяются разделительные трансформаторы и помехоподавляющие фильтры.
Разделяющие трансформаторы обеспечивают развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. То есть наводки первичной обмотки трансформатора не должны попадать во вторичную. Для уменьшения влияния паразитных индуктивных и емкостных связей между обмотками трансформатора ставят экран. Чаще всего экран представляет собой заземленную прокладку или фольгу, которая укладывается между двумя обмотками трансформатора. Благодаря этому наводки, возникающие в первичной цепи «выбирают» путь с наименьшим сопротивлением. Применение в разделительных трансформаторах экранирования позволяет существенно (более чем на 40 дБ) уменьшить уровень наводок.
На рис. 15.4 показан визуальный вид фильтра ФСП-1Ф-7А.
Фильтр ФСП-1Ф-7А предназначен для защиты радиоэлектронных устройств и средств вычислительной техники от утечки информации по цепям электропитания с напряжением 220 В. Фильтр применяется для обеспечения электромагнитной развязки по цепям электропитания радиоэлектронных устройств и электросети промышленных объектов и офисных помещений[119]. Фильтр имеет сертификат соответствия ФСТЭК и стоит примерно 17 000 р.
Следует отметить, что требования к помехоподавляющим фильтрам регулируются законодательством, в частности ГОСТ 13661-92 и РД 11 0956-96.
Методы защиты информации от утечки через ПЭМИН
Заземление
Экранирование ТСПИ и соединительных цепей эффективно только в случае их правильного заземления. Заземление состоит из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего заземляемое устройство с заземлителем. Заземлитель – это проводящая часть, которая может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы. Заземлитель соединен с землей. Защитное действие заземления основано на двух принципах:
Существуют различные схемы заземлений, самые распространенные из которых одноточечные, многоточечные и комбинированные (гибридные).
На рис. 16.2 представлена одноточечная последовательная схема заземления.
Основным достоинством данного типа заземления является простота. Основным недостатком – появление опасного сигнала ввиду возникновения обратных токов в общем проводе заземляющей цепи.
Одноточечная параллельная схема заземления лишена данных недостатков ( рис. 16.3). Тем не менее, количество проводников здесь больше, следовательно, труднее обеспечить требуемый для заземления уровень сопротивления. Более того, между проводниками могут возникать нежелательные связи, которые создают несколько путей заземления для каждого устройства. В результате в системе заземления могут возникнуть уравнительные токи и появиться разность потенциалов между различными устройствами.
Многоточечная схема заземления ( рис. 16.4) практически свободна от недостатков, присущих одноточечной схеме. В данной схеме каждое устройство отдельно заземлено.
Как правило, одноточечное заземление применяется на низких частотах при небольших размерах заземляемых устройств и маленьких расстояниях между ними. На высоких частотах при больших размерах заземляемых устройств и значительных расстояниях между ними используется многоточечная система заземления. В промежуточных случаях эффективна комбинированная (гибридная) система заземления, представляющая собой различные сочетания одноточечной, многоточечной и плавающей заземляющих систем.
Ключевой характеристикой заземления является электрическое сопротивление цепи заземления. Сопротивление заземления определяется главным образом сопротивлением растекания тока в земле. Чем ниже сопротивление, тем эффективнее заземление. Величину сопротивления можно снизить за счет уменьшения переходного сопротивления (между заземлителем и землей) путем тщательной очистки поверхности трубы от грязи и ржавчины, подсыпкой в лунку по всей ее высоте поваренной соли и утрамбовкой почвы вокруг каждой трубы.
Фильтрация опасных сигналов
Еще одним методом локализации опасных сигналов является фильтрация. Фильтрация применяется к источникам электромагнитных полей и наводок с целью предотвращения распространения опасных сигналов за их пределы. Для фильтрации в цепях питания технических средств применяются разделительные трансформаторы и помехоподавляющие фильтры.
Разделяющие трансформаторы обеспечивают развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. То есть наводки первичной обмотки трансформатора не должны попадать во вторичную. Для уменьшения влияния паразитных индуктивных и емкостных связей между обмотками трансформатора ставят экран. Чаще всего экран представляет собой заземленную прокладку или фольгу, которая укладывается между двумя обмотками трансформатора. Благодаря этому наводки, возникающие в первичной цепи «выбирают» путь с наименьшим сопротивлением. Применение в разделительных трансформаторах экранирования позволяет существенно (более чем на 40 дБ) уменьшить уровень наводок.
Количественно эффективность фильтра можно оценить по тому, насколько он ослабляет опасный сигнал, в соответствии с формулой:
— напряжение опасного сигнала на входе фильтра;
— напряжение опасного сигнала на выходе фильтра.
Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем:
К фильтрам цепей питания наряду с перечисленными выше предъявляются следующие дополнительные требования [16.2]:
На практике между входом и выходом фильтра существует паразитная связь, которая не позволяет получить затухание опасного сигнала более 100 Дб. Если при этом фильтр не экранирован и сигнал подается и снимается с помощью неэкранированных соединений, затухание не превышает 40..60 Дб.
Конструктивно фильтры подразделяются на:
Среди сетевых помехоподавляющих фильтров, выпускаемых отечественной промышленностью, получили распространение фильтры, параметры которых приведены в таблице 16.2. Эти фильтры представляют собой n-звенные пассивные LC-фильтры, выполненные в герметичных металлических корпусах. Соединение входа-выхода фильтра с электросетью и нагрузкой осуществляется с помощью проходных контактов, состоящих из вывода, запрессованного в изолирующую втулку. Наружные металлические детали фильтра защищены от коррозии гальванопокрытием.
| Наименование фильтра | Ток, А (не более) | Частотный диапазон, МГц | Вносимое затухание, дБ | Габаритные размеры, мм | Масса, кг (не более) |
|---|---|---|---|---|---|
| ФПБМ-1/2/3 | 5/10/20 | 0,01. 10000 | 60. 90 | 240х75х55 | 1,8 |
| ФТМА | 0,5 | 0,01. 1000 | 25. 70 | 45х40х25 | 0,1 |
| ФСГА | 6 | 0,01. 500 | 40. 60 | 180х140х50 | 1,7 |
| ФППС | 3 | 0,1. 1000 | 40. 60 | 62х52х42 | 0,35 |
| ФСБШ-2/4/7 | 1/2/5 | 0,01. 500 | 15. 50 | 104х90х60 | 0,6 |
| ФСШК-1/ФСШК-2 | 3/6 | 0,1. 1000 | 40. 70 | 62х52х42 | 0,25 |
| ФПБД | 15 | 0,01. 1000 | 30. 60 | 104х94х52 | 0,6 |
| ФСМА | 30 | 0,01. 1000 | 30. 60 | 104х94х52 | 0,7 |
| ФСБШ-9 | 10 | 0,01. 1000 | 15. 50 | 104х78х30 | 0,26 |
На рис. 16.5 показан внешний вид фильтра ФПБМ-3.
Почти все типы фильтров, приведенные в таблице 16.2, рассчитаны на жесткие условия эксплуатации с гарантированным сроком не менее 5 лет со дня изготовления. В отличие от ранее разработанных фильтров (типов ФП, ФПВЧ, ФПС и др.) в этих фильтрах при синтезе их частотных характеристик были использованы паразитные параметры элементов и дроссели на составных магнитопроводах, что позволило значительно улучшить их объемные и весовые характеристики.
Следует отметить, что требования к помехоподавляющим фильтрам регулируются законодательством, в частности ГОСТ 13661-92 и РД 11 0956-96.
Указанные в таблице 16.2 фильтры прошли специальные исследования в соответствии с регламентирующими документами Гостехкомиссии России и могут быть использованы в помещениях, где циркулирует секретная информация в речевой форме, и установлены технические устройства, обрабатывающие секретную информацию.
Подводя итог, можно сделать вывод о том, что основными характеристиками помехоподавляющего фильтра являются рабочий диапазон частот, ток и величина нагрузки. При выборе фильтра потребитель должен также учитывать условия эксплуатации фильтра, так как от этого зависит не только его работоспособность, но и требуемые объемные и весовые характеристики.
Методы защиты информации от утечки через ПЭМИН
Заземление
Экранирование ТСПИ и соединительных цепей эффективно только в случае их правильного заземления. Заземление состоит из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего заземляемое устройство с заземлителем. Заземлитель – это проводящая часть, которая может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы. Заземлитель соединен с землей. Защитное действие заземления основано на двух принципах:
Существуют различные схемы заземлений, самые распространенные из которых одноточечные, многоточечные и комбинированные (гибридные).
На рис. 16.2 представлена одноточечная последовательная схема заземления.
Основным достоинством данного типа заземления является простота. Основным недостатком – появление опасного сигнала ввиду возникновения обратных токов в общем проводе заземляющей цепи.
Одноточечная параллельная схема заземления лишена данных недостатков ( рис. 16.3). Тем не менее, количество проводников здесь больше, следовательно, труднее обеспечить требуемый для заземления уровень сопротивления. Более того, между проводниками могут возникать нежелательные связи, которые создают несколько путей заземления для каждого устройства. В результате в системе заземления могут возникнуть уравнительные токи и появиться разность потенциалов между различными устройствами.
Многоточечная схема заземления ( рис. 16.4) практически свободна от недостатков, присущих одноточечной схеме. В данной схеме каждое устройство отдельно заземлено.
Как правило, одноточечное заземление применяется на низких частотах при небольших размерах заземляемых устройств и маленьких расстояниях между ними. На высоких частотах при больших размерах заземляемых устройств и значительных расстояниях между ними используется многоточечная система заземления. В промежуточных случаях эффективна комбинированная (гибридная) система заземления, представляющая собой различные сочетания одноточечной, многоточечной и плавающей заземляющих систем.
Ключевой характеристикой заземления является электрическое сопротивление цепи заземления. Сопротивление заземления определяется главным образом сопротивлением растекания тока в земле. Чем ниже сопротивление, тем эффективнее заземление. Величину сопротивления можно снизить за счет уменьшения переходного сопротивления (между заземлителем и землей) путем тщательной очистки поверхности трубы от грязи и ржавчины, подсыпкой в лунку по всей ее высоте поваренной соли и утрамбовкой почвы вокруг каждой трубы.
Фильтрация опасных сигналов
Еще одним методом локализации опасных сигналов является фильтрация. Фильтрация применяется к источникам электромагнитных полей и наводок с целью предотвращения распространения опасных сигналов за их пределы. Для фильтрации в цепях питания технических средств применяются разделительные трансформаторы и помехоподавляющие фильтры.
Разделяющие трансформаторы обеспечивают развязку первичной и вторичной цепей по сигналам наводки. То есть наводки первичной обмотки трансформатора не должны попадать во вторичную. Для уменьшения влияния паразитных индуктивных и емкостных связей между обмотками трансформатора ставят экран. Чаще всего экран представляет собой заземленную прокладку или фольгу, которая укладывается между двумя обмотками трансформатора. Благодаря этому наводки, возникающие в первичной цепи «выбирают» путь с наименьшим сопротивлением. Применение в разделительных трансформаторах экранирования позволяет существенно (более чем на 40 дБ) уменьшить уровень наводок.
Количественно эффективность фильтра можно оценить по тому, насколько он ослабляет опасный сигнал, в соответствии с формулой:
— напряжение опасного сигнала на входе фильтра;
— напряжение опасного сигнала на выходе фильтра.
Основные требования, предъявляемые к защитным фильтрам, заключаются в следующем:
К фильтрам цепей питания наряду с перечисленными выше предъявляются следующие дополнительные требования [16.2]:
На практике между входом и выходом фильтра существует паразитная связь, которая не позволяет получить затухание опасного сигнала более 100 Дб. Если при этом фильтр не экранирован и сигнал подается и снимается с помощью неэкранированных соединений, затухание не превышает 40..60 Дб.
Конструктивно фильтры подразделяются на:
Среди сетевых помехоподавляющих фильтров, выпускаемых отечественной промышленностью, получили распространение фильтры, параметры которых приведены в таблице 16.2. Эти фильтры представляют собой n-звенные пассивные LC-фильтры, выполненные в герметичных металлических корпусах. Соединение входа-выхода фильтра с электросетью и нагрузкой осуществляется с помощью проходных контактов, состоящих из вывода, запрессованного в изолирующую втулку. Наружные металлические детали фильтра защищены от коррозии гальванопокрытием.
| Наименование фильтра | Ток, А (не более) | Частотный диапазон, МГц | Вносимое затухание, дБ | Габаритные размеры, мм | Масса, кг (не более) |
|---|---|---|---|---|---|
| ФПБМ-1/2/3 | 5/10/20 | 0,01. 10000 | 60. 90 | 240х75х55 | 1,8 |
| ФТМА | 0,5 | 0,01. 1000 | 25. 70 | 45х40х25 | 0,1 |
| ФСГА | 6 | 0,01. 500 | 40. 60 | 180х140х50 | 1,7 |
| ФППС | 3 | 0,1. 1000 | 40. 60 | 62х52х42 | 0,35 |
| ФСБШ-2/4/7 | 1/2/5 | 0,01. 500 | 15. 50 | 104х90х60 | 0,6 |
| ФСШК-1/ФСШК-2 | 3/6 | 0,1. 1000 | 40. 70 | 62х52х42 | 0,25 |
| ФПБД | 15 | 0,01. 1000 | 30. 60 | 104х94х52 | 0,6 |
| ФСМА | 30 | 0,01. 1000 | 30. 60 | 104х94х52 | 0,7 |
| ФСБШ-9 | 10 | 0,01. 1000 | 15. 50 | 104х78х30 | 0,26 |
На рис. 16.5 показан внешний вид фильтра ФПБМ-3.
Почти все типы фильтров, приведенные в таблице 16.2, рассчитаны на жесткие условия эксплуатации с гарантированным сроком не менее 5 лет со дня изготовления. В отличие от ранее разработанных фильтров (типов ФП, ФПВЧ, ФПС и др.) в этих фильтрах при синтезе их частотных характеристик были использованы паразитные параметры элементов и дроссели на составных магнитопроводах, что позволило значительно улучшить их объемные и весовые характеристики.
Следует отметить, что требования к помехоподавляющим фильтрам регулируются законодательством, в частности ГОСТ 13661-92 и РД 11 0956-96.
Указанные в таблице 16.2 фильтры прошли специальные исследования в соответствии с регламентирующими документами Гостехкомиссии России и могут быть использованы в помещениях, где циркулирует секретная информация в речевой форме, и установлены технические устройства, обрабатывающие секретную информацию.
Подводя итог, можно сделать вывод о том, что основными характеристиками помехоподавляющего фильтра являются рабочий диапазон частот, ток и величина нагрузки. При выборе фильтра потребитель должен также учитывать условия эксплуатации фильтра, так как от этого зависит не только его работоспособность, но и требуемые объемные и весовые характеристики.