如何有效快捷測(cè)量和定位EFT和ESD問題？
本文摘要：電子產(chǎn)品不能通過EFT和ESD測(cè)試的根本原因，在于由EFT和ESD脈沖引起的瞬態(tài)、高壓、寬頻干擾電流會(huì)流入內(nèi)部電路模塊，該干擾電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)干擾產(chǎn)品內(nèi)部關(guān)鍵信號(hào)線的時(shí)序或者影響器件的正常工作，傳統(tǒng)的方法無法測(cè)量這個(gè)干擾電流的電流路徑，也難于確認(rèn)被影響的信號(hào)線或者器件。本文介紹一種能測(cè)量和定位EFT和ESD問題的工具——E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了如何使用E1系統(tǒng)進(jìn)行電子產(chǎn)品EFT和ESD問題的測(cè)量、敏感點(diǎn)定位、以及電路修改的有效性評(píng)估。
關(guān)鍵詞：電磁抗擾度測(cè)試 電快速瞬變脈沖群 靜電放電 電磁兼容 敏感點(diǎn)定位
術(shù)語：
電快速瞬變脈沖群（EFT：Electrical Fast Transient）
靜電放電（ESD：Electro Static Discharge）
電磁兼容（EMC：Electromagnetic Compatibility）
被測(cè)物（EUT：Equipment Under Test）
印刷電路板（PCB：Printed Circuit Board）
電磁敏感度（EMS：Electromagnetic Sensitivity）
一、序言
大部分電子產(chǎn)品需要通過電快速瞬變脈沖群（EFT：根據(jù) IEC61000-4-4）和靜電放電（ESD：根據(jù) IEC61000-4-2）等項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。EFT和ESD是兩種典型的突發(fā)干擾，EFT信號(hào)單脈沖的峰值電壓可高達(dá)4kV、上升沿5ns。接觸放電測(cè)試時(shí)的ESD信號(hào)的峰值電壓可高達(dá)8kV、上升時(shí)間小于1ns。這兩種突發(fā)干擾，都具有突發(fā)、高壓、寬頻等特征。
在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的EFT和ESD測(cè)試時(shí)，把干擾脈沖從設(shè)備外部耦合到內(nèi)部，同時(shí)監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài)。如果設(shè)備沒有通過這些標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，測(cè)試本身幾乎不能提供任何如何解決問題的信息。要想定位被測(cè)物（EUT）對(duì)突發(fā)干擾敏感的原因和位置，必須進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。但是如果采用示波器進(jìn)行測(cè)量的話，EUT內(nèi)部的干擾會(huì)產(chǎn)生變化。如圖1中，使用金屬導(dǎo)線的探頭連接到示波器，會(huì)形成一個(gè)額外的干擾電流路徑，從而影響測(cè)試結(jié)果，很難定位產(chǎn)生ESD和EFT問題的原因。
圖1 用示波器測(cè)量EFT和ESD的問題
二、EFT和ESD干擾電路正常工作的機(jī)理
在進(jìn)行EFT和ESD等抗擾度測(cè)試時(shí)，需要把相應(yīng)的突發(fā)干擾施加到EUT的電源線、信號(hào)線或者機(jī)箱等位置。干擾電流會(huì)通過電纜或者機(jī)箱，流入EUT的內(nèi)部電路，可能會(huì)引起EUT技術(shù)指標(biāo)的下降，例如：干擾音頻或視頻信號(hào)，或引起通信誤碼等；也可能引起系統(tǒng)復(fù)位、停止工作、甚至損壞器件等。
電子產(chǎn)品的抗干擾特性，取決于其PCB設(shè)計(jì)和集成電路的敏感度。電路對(duì)EFT/ESD信號(hào)敏感的位置，一般能被精確定位。形成這些“敏感點(diǎn)”的原因，很大程度上取決于GND/VCC的形狀以及集成電路的類型和制造商。
實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生EFT和ESD問題最主要原因：干擾電流的主要部分會(huì)流入低阻抗電源系統(tǒng)。干擾電流能通過直接連接進(jìn)入GND系統(tǒng)，或再由線路連接，從另外一個(gè)地方耦合出來；干擾電流也能通過直接連接進(jìn)入GND系統(tǒng)，然后通過和金屬塊（如機(jī)箱）等物體的容性耦合方式，以電場(chǎng)方式（場(chǎng)束）耦合出來。
圖2中，干擾脈沖電流（i）通過電纜或者電容滲透到PCB內(nèi)。由干擾電流（i）產(chǎn)生電場(chǎng)干擾（電場(chǎng)強(qiáng)度E）或者磁場(chǎng)干擾（磁場(chǎng)強(qiáng)度B）。磁脈沖場(chǎng)（B）或電脈沖場(chǎng)（E）是影響PCB板最主要的基本元素，一般來說，敏感點(diǎn)要么僅對(duì)磁場(chǎng)敏感，要么僅對(duì)電場(chǎng)敏感。干擾電流（i）通過電源線注入到設(shè)備內(nèi)部。由于旁路電容（C）的存在，一部分電流（iA）離開了被測(cè)物，內(nèi)部的干擾電流（iI）被減少了。圖2中所示的由干擾電流（iA）產(chǎn)生的磁場(chǎng)B會(huì)影響它周圍幾厘米范圍內(nèi)的電路模塊，一般電路模塊內(nèi)只會(huì)有很少的信號(hào)線會(huì)對(duì)B場(chǎng)敏感。需要注意，磁場(chǎng)不僅僅由電源線電纜上干擾電流（i）以及排狀電纜上的電流產(chǎn)生，旁路電容（C）的電流路徑以及內(nèi)部GND和VCC上的電流，會(huì)擴(kuò)大干擾范圍。
圖2 干擾電流干擾PCB板的機(jī)理
在電源系統(tǒng)（主要是GND）上流動(dòng)的干擾電流，產(chǎn)生很強(qiáng)的寬頻譜電磁場(chǎng)，能干擾其周圍幾厘米范圍內(nèi)的集成電路或者信號(hào)線，如果敏感的信號(hào)線或者器件，例如復(fù)位信號(hào)、片選信號(hào)、晶振等，正好放置在干擾電流路徑周圍，系統(tǒng)就可能由此引起各種不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
一般情況下，一塊PCB上只會(huì)存在少量的敏感點(diǎn)，而且每個(gè)敏感點(diǎn)也會(huì)被限制在很少的區(qū)域。在把這些敏感點(diǎn)找出來，并采取適當(dāng)?shù)氖侄魏?，就能提高產(chǎn)品的抗干擾性能。由此可見，為了定位EUT不能通過EFT和ESD測(cè)試的原因，工程師就必須首先找出這些突發(fā)干擾在系統(tǒng)內(nèi)部的電流路徑，再找出該路徑周圍存在哪些敏感的信號(hào)線和器件（即敏感點(diǎn)），之后可以采取改善接地系統(tǒng)以改變電流路徑，或者移動(dòng)敏感信號(hào)線和器件位置等方法，從根本上以最低的成本解決EFT和ESD問題。
由于EFT和ESD信號(hào)具有高壓和寬頻譜等特征，傳統(tǒng)的示波器和頻譜分析儀很難測(cè)量干擾電流的路徑。E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)專門用于測(cè)量和排除EFT和ESD問題。E1系統(tǒng)功能介紹見此文：OIE1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)四大組成的功能
四、利用E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)定位EFT和ESD問題有關(guān)方法
E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)在設(shè)備內(nèi)部仿真干擾的過程，采用不同的方式，向電子模塊直接注入干擾電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)，以定位電路板上的電磁薄弱點(diǎn)，理解耦合機(jī)理，并完成最優(yōu)化的設(shè)計(jì)修改。
E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)不能按照某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC兼容性測(cè)試，適合產(chǎn)品在研發(fā)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)修訂。使用E1系統(tǒng)時(shí)建議先對(duì)被測(cè)物進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾測(cè)試，然后對(duì)可能的故障原因進(jìn)行分析，再利用E1來找出更多的故障原因，并利用E1系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改的評(píng)估改進(jìn)。測(cè)量目的是再現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)抗干擾測(cè)試時(shí)的功能故障，從而確認(rèn)和評(píng)估干擾被耦合入和耦合出的路徑。
使用E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)，測(cè)量和定位EFT和ESD問題的一般步驟為：
1、故障粗略定位
檢查EUT的各個(gè)電路模塊，例如整塊PCB板、PCB板間的互聯(lián)電纜、PCB板內(nèi)的電路功能模塊等。首先取EUT的一塊PCB或者一部分電路，對(duì)該模塊的GND直接注入干擾：
① 單極連接方式注入干擾：
把E1系統(tǒng)內(nèi)的SGZ21信號(hào)源的其中一個(gè)輸出接到電路模塊的GND上，另一個(gè)輸出端接到EUT的機(jī)箱，可以用電場(chǎng)場(chǎng)源模擬機(jī)箱，判斷是否是電場(chǎng)敏感。如果單極連接期間出現(xiàn)功能故障，可能是以下原因：電場(chǎng)干擾（直接由EUT和場(chǎng)源探頭間引起的故障）；磁場(chǎng)干擾（流入電場(chǎng)的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)被耦合到信號(hào)環(huán)路上，導(dǎo)致出現(xiàn)故障）。
② 兩極連接方式注入干擾：
把E1系統(tǒng)內(nèi)的SGZ21信號(hào)源的兩個(gè)輸出，分別連接到電路模塊的GND上，判斷是否是磁場(chǎng)敏感。如果在這種方式下，EUT出現(xiàn)期望的功能故障，說明在這兩個(gè)GND節(jié)點(diǎn)之間存在的干擾電流路徑周圍，有對(duì)磁場(chǎng)敏感的敏感點(diǎn)。
③ 區(qū)分方法：
在EUT的GND和附近金屬物體之間建立一個(gè)很短的低阻抗連接，從而消除電場(chǎng)的影響，如果不再出現(xiàn)那個(gè)已知的功能故障，就說明那個(gè)已知的功能故障由電場(chǎng)引起。否則，這個(gè)故障可能是磁場(chǎng)引起。
2、測(cè)量干擾電流路徑
通過“故障粗略定位”，把敏感點(diǎn)位置進(jìn)行了粗略的定位，同時(shí)確定了電路敏感的性質(zhì)（磁場(chǎng)敏感或電場(chǎng)敏感）。使用瞬態(tài)電磁場(chǎng)探頭，能測(cè)量EUT內(nèi)部突發(fā)磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度，并可以測(cè)量出干擾電流的流向。利用瞬態(tài)磁場(chǎng)探頭測(cè)量時(shí)，能幫助工程師發(fā)現(xiàn)：EUT內(nèi)哪里存在突發(fā)磁場(chǎng)？EUT內(nèi)部的干擾電流怎么流？干擾電流有沒有流入集成電路的輸入和輸出？旁路電容有什么影響，應(yīng)該采用多大容值的電容？屏蔽連接的長(zhǎng)度如何影響旁路電流？
3、精確定位敏感點(diǎn)
在把故障定位到模塊并測(cè)量出電流路徑之后，使用場(chǎng)源，能對(duì)敏感點(diǎn)進(jìn)行精確定位：首先是根據(jù)前面的測(cè)量結(jié)果來選擇場(chǎng)源，決定使用磁場(chǎng)場(chǎng)源或者電場(chǎng)場(chǎng)源； 再依據(jù)測(cè)量到的“電流路徑”，沿著干擾電流方向的路徑，使用相應(yīng)的場(chǎng)源對(duì)EUT注入干擾。E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)配備了不同分辨率的9種場(chǎng)源，選擇場(chǎng)源時(shí)，從大面積到小面積；選擇強(qiáng)度時(shí)，探頭采取由遠(yuǎn)到近，慢慢靠近EUT，從而最終確定敏感點(diǎn)的位置。
4、評(píng)估電路修改有效性
找出電路內(nèi)部存在的敏感點(diǎn)之后，我們會(huì)進(jìn)行電路修改以改善EUT的抗干擾性能。為此，E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)使用了一套“脈沖率測(cè)量法”技術(shù)，讓工程師能對(duì)電路修改的有效性進(jìn)行快速的評(píng)估。脈沖率測(cè)量法需要使用E1系統(tǒng)內(nèi)的SGZ21發(fā)生器和S31傳感器。
E1系統(tǒng)內(nèi)的SGZ21發(fā)生器產(chǎn)生如圖3所示的輸出脈沖無序、峰值電平呈平均分布的脈沖信號(hào)，這樣就不需要發(fā)生器和計(jì)數(shù)器之間同步。例如：用放在EUT內(nèi)部的傳感器來監(jiān)視敏感的信號(hào)線，一旦檢測(cè)到這根信號(hào)線上有干擾，就會(huì)發(fā)出一個(gè)光脈沖。SGZ21上的計(jì)數(shù)器對(duì)這些光脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在一個(gè)周期信號(hào)1秒鐘序列期間檢測(cè)到的計(jì)數(shù)值，代表著干擾門限所處的位置，即EUT的敏感度。
圖3 E1系統(tǒng)內(nèi)的SGZ21的脈沖序列
圖3中，如果在一個(gè)周期脈沖序列里檢測(cè)到11個(gè)脈沖，則干擾門限是u1，意味著注入電壓為u1的突發(fā)干擾，本區(qū)域就會(huì)遭受干擾；如果檢測(cè)到的是3個(gè)脈沖，則干擾門限是u3。檢測(cè)到的脈沖數(shù)越少，表明模塊設(shè)計(jì)得越好。
測(cè)量濾波器的濾波波形是一個(gè)非常典型的應(yīng)用：把E1系統(tǒng)內(nèi)的SGZ21產(chǎn)生的干擾電流注入到EUT，S31傳感器測(cè)量EUT上受干擾的線上的信號(hào)，在SGZ21計(jì)數(shù)器上可以讀到計(jì)數(shù)值，修改濾波器后，再次測(cè)量。兩次測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，就可以很清楚地告訴你，工程師的設(shè)計(jì)修改是否有效。
5、實(shí)時(shí)監(jiān)視EUT工作狀態(tài)
在抗干擾測(cè)試時(shí)，盡可能快地明確地發(fā)現(xiàn)EUT內(nèi)的功能故障，是非常重要和關(guān)鍵的。然而，從外界來觀察的話，EUT故障經(jīng)常是不可見的，或者過一段時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)。例如：EUT里的微處理機(jī)，已經(jīng)死機(jī)了，但是顯示的還是正常的狀態(tài)，甚至顯示器上顯示的也是正常的信息。
為了進(jìn)行有效的故障定位，有必要使用E1系統(tǒng)內(nèi)的S31傳感器來提供與EUT功能有關(guān)的信息，例如：用S31去監(jiān)視看門狗電路的后置觸發(fā)信號(hào)、片選信號(hào)等，以監(jiān)視EUT的工作狀態(tài)。SGZ21上的脈沖計(jì)數(shù)器可以監(jiān)視，并判斷設(shè)備是否在正常工作。可以把S31的光纖輸出連接到光纖接收器，光纖接收器把S31送來的光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，在連接到示波器上進(jìn)行觀察和分析。
總線系統(tǒng)或接口上的數(shù)據(jù)流，往往能反映系統(tǒng)的操作狀態(tài)。但是通過示波器或邏輯分析儀來監(jiān)視是很浪費(fèi)時(shí)間的，而且成本很高。采用SGZ21的計(jì)數(shù)器來監(jiān)視數(shù)據(jù)流，是一個(gè)快速的方法。由于數(shù)據(jù)的內(nèi)容會(huì)改變，而且計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)包是不同步的，所以計(jì)數(shù)器上的值會(huì)變化。盡管如此，計(jì)數(shù)器上的值，還是能體現(xiàn)出EUT處于不同的工作狀態(tài)。這樣工程師就可以通過計(jì)數(shù)器顯示結(jié)果來判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。例如：在EUT復(fù)位后重新啟動(dòng)時(shí)記錄的值，就是代表了EUT當(dāng)前的工作狀態(tài)。這樣，工程師就能在抗干擾測(cè)量中發(fā)現(xiàn)EUT是否復(fù)位，還是在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常要重新發(fā)送，或者由干擾引起的其它問題。
如果干擾脈沖正好出現(xiàn)在EUT的程序中要求嚴(yán)格的階段（例如：正在通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸），就可能出現(xiàn)功能故障。出現(xiàn)功能故障的頻繁程度，取決于EUT的結(jié)構(gòu)。因此我們必須在適當(dāng)?shù)碾妷弘娖缴蠝y(cè)量足夠長(zhǎng)的時(shí)間，確保EUT不會(huì)產(chǎn)生功能故障。這種方法，是利用EUT出現(xiàn)故障作為敏感度的參考依據(jù)，在實(shí)際調(diào)試中需要花費(fèi)大量精力和時(shí)間。
如果在EUT內(nèi)部某個(gè)位置安裝一個(gè)傳感器，傳感器干擾門限和時(shí)間無關(guān)，工程師可以利用傳感器的計(jì)數(shù)值，作為敏感度的參考依據(jù)。這樣的話，就不需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。這種方法特別適合于評(píng)估濾波器、屏蔽以及旁路的效果。
在實(shí)際工作中，電路內(nèi)部的IC和傳感器對(duì)快速干擾的敏感程度是不同的。所以可能會(huì)出現(xiàn)在干擾電壓增加時(shí)，EUT先被干擾了，而傳感器還沒有被干擾到，或者相反的情況。這時(shí)，需要建立一個(gè)EUT干擾門限和傳感器干擾門限的關(guān)系，如果在EUT上僅僅修改屏蔽或者濾波，則這種相對(duì)的關(guān)系會(huì)保持不變。傳感器干擾門限的改進(jìn)，也意味著提高了EUT的抗干擾能力。
五、結(jié)論
對(duì)于EFT和ESD等突發(fā)、高壓、寬帶的干擾，傳統(tǒng)方式上難以測(cè)量，如果電子產(chǎn)品出現(xiàn)EFT和ESD問題，工程師只能憑經(jīng)驗(yàn)去解決問題。E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)給工程師一個(gè)全新的測(cè)量概念，能快速定位電路存在的敏感點(diǎn)，并通過設(shè)計(jì)修改，能以最低的成本讓被測(cè)物通過相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
版權(quán)聲明：本資料屬于北京海洋興業(yè)科技股份有限公司所有，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處！
