Ошибка ценой в миллиард долларов

От автора: В этой статье подчеркивается необходимость сосредоточиться на проектировании линий передачи или «пространств», а не «проводов». Основное внимание в отрасли уделялось перемещению зарядов в проводах, которое, однако, происходит только из-за движения электрических полей. Энергия переносится полями, а не током смещения. Приношу свои извинения физикам-электронщикам за чрезмерное упрощение этих концепций, но такой подход повысит шансы на успех для большинства проектов.

Команды инженеров по всему миру сталкиваются со все более сложными задачами по разработке электронной продукции, пытаясь добиться хорошей целостности сигнала и соответствия требованиям. Однако скорее всего, разработка пройдёт испытания на электромагнитную совместимость не с первого раза, а с третьего, четвертого, или даже пятого. Каждый раз, отправляя продукт на повторное тестирование, разработчики не уверены в успехе. Процесс является дорогостоящим как по времени, необходимому для внесения изменений в проект, так и по затратам на ускоренное изготовление новой печатной платы и сборки. Если к этому прибавить еще и стоимость повторного испытания продукта, то набирается приличная сумма. Данные расходы не предусмотрены в бюджете, а задержка сертификации продукции не заложена в графике. Стоимость продукта отражается не только на прибыли компании-поставщика электроники, но и на конечных потребителях, ожидающих этот продукт. Инженеры заняты исправлением текущего проекта вместо того, чтобы начать следующий. В результате миллиарды долларов ежегодно тратятся на разработки, которые, скорее всего, потерпят неудачу.

Что здесь не так? Ошибка ценой в миллиард долларов

Ошибка ценой в миллиард долларов коренится в неправильном понимании природы электроэнергии. Виной тому один рисунок.

На Рисунке 1 показана батарея, соединенная проводами с лампой. Предполагается, что стрелки показывают направление движения тока. Поскольку считается, что энергия течет по проводам, их стали называть «проводниками». Ток течет по замкнутому контуру, поэтому возникла идея, что контур - это электрическая цепь. Если бы всё и впрямь было так, то после замыкания выключателя, мы бы сразу же видели появление энергии на нагрузке, и не существовало бы таких вещей, как целостность сигнала или проблемы с ЭМС. Не было бы и радио, поскольку энергия одинакова и в электрической системе, и в воздухе, а на Земле не было бы жизни, так как солнечный свет не мог бы дойти сюда без проводов.

Вид этого простого рисунка задал тон и философию проектирования печатных плат. Основное внимание уделялось току, текущему в проводнике. Результатом этого стал неуклонный рост количества несоответствий требованиям ЭМС по мере уменьшения геометрических размеров интегральных схем и увеличения частоты переключений.

Почему же так получилось? Вспомните, что происходит с лягушкой, когда её опускают в кастрюлю с водой. Лягушка не замечает, как нагревается вода, пока не становится слишком поздно. Это очень похоже на то, что произошло с электронной промышленностью, и сейчас эта ошибочная точка зрения обходится отрасли в миллиарды долларов каждый год.

Ральф Моррисон научил меня тому, что формулировки очень важны. В данном случае неправильные формулировки стали основанием для применения ошибочных методов проектирования. Обычной практикой стало проектировать проводники, соединяющие батарею или источник питания с нагрузкой. Пока скорость переключения была относительно низкой, этот путь казался правильным. Данный подход не был настолько плох, чтобы стать причиной сбоев для более ранних устройств, однако он привел к созданию правил проектирования, усложняющих прохождение сертификации.

Реальная картинка

Провода не являются первичными проводниками энергии; они образуют границы, очень похожие на берега ручья. Основная энергия не течет по проводам; она проходит через пространство между проводами. Диэлектрик в этом пространстве является первичным проводником энергии. Энергия переносится электромагнитными полями, движущимися в диэлектрике, а не потоком электронов в проводах. Правильное определение для потока тока - это величина поля, проходящего мимо точки в линии передачи.

Поле, запасенное в левой части, неподвижно (Рисунок 2а). В момент начала замыкания ключа поле начинает двигаться (Рисунок 2б). Ключ замкнут, и поле перемещается в новое пространство (Рисунок 2в). Ключ разомкнут, поэтому поле слева перестает двигаться (Рисунок 2г).

Поведение поля довольно просто понять. Запасенное между двух проводников, разделенных диэлектриком, поле остается неподвижным. Сразу после того, как ключ был замкнут, поле последовательно движется в новое пространство, словно вода, текущая в шланг из крана. Как только ключ размыкают, поле источника перестает двигаться, так как два пространства больше не связаны. Поведение поля после ключа определяется тем, что находится на другом конце пространства.

Объяснить принципы управления полем могут простые правила троек (Рисунок 3). Для того, чтобы запасти электромагнитное поле, нужны три вещи: два проводника и диэлектрик между ними. Электронные системы имеют всего три типа компонентов: проводники, диэлектрики и ключи. С электромагнитным полем можно делать только три вещи: запасать, перемещать или преобразовывать в кинетическую энергию.