EFT/ESD问题的测量和定位

2006-05-09 14:35:30来源: 电子工程专辑

      大部分电子产品需要通过电快速瞬变脉冲群(EFT)(根据IEC61000-4-4)和静电放电(ESD)(根据IEC61000-4-2)等项目的标准测试。EFT和ESD是两种典型的突发干扰,EFT信号单脉冲的峰值电压可高达4kV,上升沿5ns。接触放电测试时的ESD信号的峰值电压可高达8kV,上升时间小于1ns。这两种突发干扰,都具有突发、高压宽频等特征。

      在进行标准的EFT/ESD测试时,把干扰脉冲从设备外部耦合到内部,同时监视设备的工作状态。如果设备没有通过这些标准的测试,测试本身几乎不能提供任何如何解决问题的信息。

      要想定位被测物(EUT)对突发干扰敏感的原因和位置,必须进行信号测量。但是如果采用示波器进行测量的话,EUT内部的干扰会产生变化。例如图1中,使用金属导线的探头连接到示波器,会形成一个额外的干扰电流路径,从而影响测试结果,很难定位产生ESD/EFT问题的原因。

图1 用示波器测量EFT/ESD

       EFT/ESD干扰电路正常工作的机理

      在进行EFT/ESD等抗扰度测试时,需要把相应的突发干扰施加到EUT的电源线,信号线或者机箱等位置。干扰电流会通过电缆或者机箱,流入EUT的内部电路,可能会引起EUT技术指标的下降,例如干扰音频或视频信号,或者引起通信误码等;也可能引起系统复位,停止工作,甚至损坏器件等。

      电子产品的抗干扰特性,取决于其PCB设计和集成电路的敏感度。电路对EFT/ESD信号敏感的位置,一般能被精确定位。形成这些"敏感点"的原因,很大程度上取决于GND/VCC的形状以及集成电路的类型和制造商。

      实践发现,产生EFT/ESD问题的最主要的原因是,干扰电流的主要部分会流入低阻抗的电源系统。干扰电流能通过直接的连接进入GND系统,再由线路连接,从另外一个地方耦合出来;干扰电流也能通过直接连接进入GND系统,然后通过和金属块(例如机箱)等物体的容性耦合方式,以电场的方式(场束)耦合出来。

      干扰脉冲电流I通过电缆或者电容渗透到PCB内。由干扰电流产生电场干扰(电场强度E)或者磁场干扰(磁场强度B)。磁脉冲场B或电脉冲场E是影响PCB最主要的基本元素,一般来说,敏感点要么仅对磁场敏感,要么仅对电场敏感。

      干扰电流I通过电源线注入到设备内部。由于旁路电容C的存在,一部分电流IA离开了被测物,内部的干扰电流Ii被减少了。图中所示的由干扰电流Ii产生的磁场B会影响它周围几厘米范围内的电路模块,一般电路模块内只会有很少的信号线会对磁场B敏感。

      需要注意,磁场不仅仅由电源线电缆上干扰电流I以及排状电缆上的电流产生,旁路电容C的电流路径以及内部GND和VCC上的电流,会扩大干扰范围。

      在电源系统(主要是GND)上流动的干扰电流,产生的很强的宽频谱电磁场,能干扰其周围几厘米范围内的集成电路或者信号线,如果敏感的信号线或者器件,例如复位信号、片选信号、晶体等,正好放置在干扰电流路径周围,系统就可能由此引起各种不稳定的现象。

      一般情况下,一块PCB上只会存在少量的敏感点,而且每个敏感点也会被限制在很少的区域。在把这些敏感点找出来,并采取适当的手段后,就能提高产品的抗干扰性能。

      由此可见,为了定位EUT不能通过EFT/ESD测试的原因,我们就必须首先找出这些突发干扰在系统内部的电流路径,再找出该路径周围存在哪些敏感的信号线和器件(敏感点),之后可以采取改善接地系统以改变电流路径,或者移动敏感信号线和器件的位置等方法,从根本上以最低的成本解决EFT/ESD问题。

       E1抗干扰开发系统

      由于EFT/ESD信号具有高压和宽频谱等特征,传统的示波器和频谱分析仪很难测量干扰电流的路径。本文介绍的E1抗干扰开发系统,专门用于测量和排除EFT/ESD问题。E1系统由四大部分组成:

      1.产生突发干扰的突发干扰信号源SGZ21

      SGZ21产生连续的类似于EFT或者ESD的干扰脉冲,脉冲的上升沿时间为2ns,下降沿时间为约10ns。这些脉冲包含的能量比标准的EFT脉冲或ESD脉冲小,因此能在不损坏被测设备的情况下,把干扰直接耦合到EUT的内部PCB上。

      SGZ21输出的脉冲信号,其脉冲幅度是连续变化的,峰值在0-1500V之间,按统计平均分布。利用这种方法,配合传感器,加上SGZ21内置的光纤输入计数器,能对PCB进行特别快速的抗干扰性能评估。

      SGZ21采用电气隔离(无大地参考)的对称输出。干扰脉冲能被容性耦合,极性可变。这样,就能采用各种耦合方式,例如:

      a. 把发生器的输出直接连接到被测物的GND系统上,把干扰电流直接注入到GND系统。

      b. 把干扰电流注入到GND,然后从VCC返回。

      c. 干扰电流可以注入到变压器、分配器或者光耦的初级,从次级返回。

      2.接收突发干扰的瞬态磁场探头MS02

      流过EUT的干扰电流会产生磁场。通过磁场的强度和方向等信息能提供干扰电流的分布情况。MS02瞬态磁场探头是一个无源探头,通过光纤连接到SGZ21计数器的输入,利用计数器的读数,可以测量突发电磁场的相对强度。

      如果MS02检测到磁场脉冲,它就会发出一个光脉冲。光脉冲的数量,可以在SGZ21计数器上读到,这个值和测量到的平均磁场强度成一定的比例。只有穿过探头环的磁力线才会被检测到,因此通过旋转探头的方向,找到最大计数值,可以检测到磁力线的方向,从而准确探测干扰电流的方向。

      3.将信号源的电输出变为突发电磁场的电场和磁场场源探头组

      场源探头组,包括各种尺寸和形状的磁场场源探头和电场场源探头,最小分辨率可小于1mm。可以连接到SGZ21信号源的输出,向被测电路中的接地系统、电源系统、集成电路、引脚、分立元件、关键布线、电缆、接插件等地方注入干扰,用于精确定位电路敏感点位置。

      在利用SGZ21信号源和瞬态磁场探头找出干扰电流的路径之后,使用场源探头,可以检查该路径周围是否存在敏感的信号线或者器件,如果是器件,还应该检查是器件的哪个引脚。

      不同的电路结构,可能会对磁场敏感,也可能会对电场敏感。E1中的场源,有的是产生磁场的,有的是产生电场的,这样可以确认EUT对哪种类型的干扰场敏感。

      4.检测集成电路敏感度的IC传感器等

      为了评估电路修改的有效性,特殊设计的IC传感器S31能和EUT内部器件一样,感应突发干扰对数字逻辑的影响,并把干扰情况通过光纤传递到计数器。

      E1抗干扰开发系统,配置有多种EMC传感器,可以监测PCB上的关键信号线、电源、地、电缆、接插件等被干扰的情况。

       利用E1抗干扰开发系统定位EFT/ESD问题的方法

      E1抗干扰开发系统,在设备内部仿真干扰的过程。能采用不同的方式,向电子模块直接注入干扰电流、电场和磁场,以定位电路板上的电磁薄弱点,理解耦合机理,并完成最优化的设计修改。

      E1抗干扰开发系统不能按照某个标准进行兼容性测试。所以建议先对被测物进行标准的抗干扰测试,然后对可能的故障原因进行分析,再利用E1来找出更多的故障原因,并利用E1在产品开发场地进行设计修改的评估。

      测量的目的是再现在标准抗干扰测试时的功能故障,从而确认和评估干扰被耦合入和耦合出的路径。

      使用E1抗干扰开发系统,测量和定位EFT/ESD问题的一般步骤为:

      1.故障粗略定位

      检查EUT的各个电路模块,例如整块PCB、PCB间的互联电缆、PCB内的电路功能模块等。

      取EUT的一块PCB或者一部分电路,对该模块的GND直接注入干扰:

      * 两极连接方式注入干扰:

      把SGZ21信号源的两个输出,分别连接到电路模块的GND上,判断是否是磁场敏感。如果在这种方式下,EUT出现期望的功能故障,说明在这两个GND节点之间存在的干扰电流路径周围,存在对磁场敏感的敏感点。

      * 单极连接方式注入干扰:

      把SGZ21信号源的其中一个输出接到电路模块的GND上,另一个输出端接到EUT的机箱(可以用电场场源模拟机箱),判断是否是电场敏感。如果单极连接期间出现功能故障,可能是:

      电场:直接由EUT和场源探头间引起的故障;

      磁场:流入电场的电流产生磁场,磁场被耦合到信号环路上,导致出现故障。

      区分办法:

      在EUT的GND和附近的金属物体之间建立一个很短的低阻抗的连接,从而消除电场的影响,如果不再出现那个已知的功能故障,就说明,那个已知的功能故障是由电场引起的。否则,这个故障可能是磁场引起的。

      2.测量干扰电流路径

      通过"故障粗略定位",把敏感点位置进行了粗略的定位,同时确定了电路敏感的性质(磁场敏感或者电场敏感)。使用瞬态电磁场探头,能测量EUT内部突发磁场的相对强度,并可以测量出干扰电流的流向。利用瞬态磁场探头测量时,能帮助你发现:

      a. EUT内哪里存在突发磁场?

      b. EUT内部的干扰电流是怎么流的?

      c. 干扰电流有没有流入集成电路的输入和输出?

      d. 旁路电容有什么影响,应该采用多大容值的电容?

      e. 屏蔽连接的长度是如何影响旁路电流的?

      3.精确定位敏感点

      在把故障定位到模块并测量出电流路径之后,使用场源,能对敏感点进行精确定位:

      首先是根据前面的测量结果来选择场源,决定使用磁场场源或者电场场源。

      再依据测量到的"电流路径",沿着干扰电流方向的路径,使用相应的场源对EUT注入干扰。E1抗干扰开发系统配备了不同分辨率的9种场源,选择场源时,从大面积到小面积,选择强度时,探头由远到近慢慢靠近EUT,从而最终确定敏感点的位置。

      4.评估电路修改有效性

      找出电路内部存在的敏感点之后,开发人员会进行电路修改以改善EUT的抗干扰性能。为此,E1抗干扰开发系统,使用了一套"脉冲率测量法"的技术,让我们能对电路修改的有效性进行快速的评估。脉冲率测量法需要使用SGZ21发生器和传感器。

      SGZ21产生如图6所示的,输出脉冲无序的,峰值电平呈平均分布的脉冲信号,这样就不需要发生器和计数器之间的同步。

      例如,用放在EUT内部的传感器来监视敏感的信号线,一旦检测到这根信号线上有干扰,就会发出一个光脉冲。SGZ21上的计数器对这些光脉冲进行计数。在一个周期信号(1秒钟)序列期间检测到的计数值,代表着干扰门限所处的位置,即EUT的敏感度。

      图6中,如果在一个周期脉冲序列里检测到11个脉冲,则干扰门限是u1,意味着注入电压为u1的突发干扰,本区域就会遭受干扰;

      如果检测到的是3个脉冲,则干扰门限是u3。

      检测到的脉冲数越少,表明模块设计得越好。

      测量滤波器的滤波波形是一个非常典型的应用:把SGZ21产生的干扰电流注入到EUT,S31传感器测量EUT上受干扰的线上的信号,在SGZ21计数器上可以读到计数值,修改滤波器后,再次测量。两次测量结果的对比,就可以很清楚地告诉你,你的设计修改是否有效。

图6 SGZ21的脉冲序列

      5.实时监视EUT工作状态

      在抗干扰测试时,尽可能快地明确地发现EUT内的功能故障,是非常重要和关键的。然而,从外界来观察的话,EUT故障经常是不可见的,或者过一段时间才能发现。例如,EUT里的处理器,已经死机了,但是显示的还是正常的状态,甚至显示器上显示的也是正常的信息。

      为了进行有效的故障定位,有必要使用S31传感器来提供与EUT功能有关的信息,例如用S31去监视看门狗电路的后置触发信号、片选信号等,以监视EUT的工作状态。SGZ21上的脉冲计数器可以监视,并判断设备是否在正常工作。你也可以把S31的光纤输出连接到光纤接收器,光纤接收器把S31送来的光信号变为电信号,再连接到示波器上进行观察和分析。

      总线系统或者接口上的数据流,往往能反映系统的操作状态。但是通过示波器或者逻辑分析仪来监视是很浪费时间的,而且成本很高。采用SGZ21的计数器来监视数据流,是一个快速的方法。由于数据的内容会改变,而且计数器和数据包是不同步的,所以计数器上的值是会变化的。尽管如此,计数器上的值,还是能体现出EUT处于不同的工作状态。这样工程师就可以通过计数器显示的结果来判断设备的工作状态。例如在EUT复位后重新启动时记录的值,就是代表了EUT当前的工作状态。这样,工程师就能在抗干扰测量中发现EUT是否复位了,还是在传输数据时经常要重新发送,或者类似的由干扰引起的其他问题。

      如果干扰脉冲正好出现在EUT的程序中要求严格的阶段(例如正在通过接口进行数据传输),就可能出现功能故障。出现功能故障的频繁程度,取决于EUT的结构。因此我们必须在适当的电压电平上测量足够长的时间,确保EUT不会产生功能故障。这种方法,是利用EUT出现故障作为敏感度的参考依据,在实际调试中需要花费大量精力和时间。

      如果在EUT内部某个位置安装一个传感器,传感器的干扰门限是和时间无关的,我们可以利用传感器的计数值,作为敏感度的参考依据。这样的话,就不需要进行长时间的测量。这种方法特别适合于评估滤波器、屏蔽以及旁路的效果。

      在实际工作中,电路内部的IC和传感器对快速干扰的敏感程度是不同的。所以可能会出现在干扰电压增加时,EUT先被干扰了,而传感器还没有被干扰到,或者相反的情况。这时,需要建立一个EUT干扰门限和传感器干扰门限的关系,如果在EUT上仅仅修改屏蔽或者滤波,则这种相对的关系会保持不变。传感器干扰门限的改进,也意味着提高了EUT的抗干扰能力。

      本文小结

      对于EFT/ESD等突发的、高压的、宽带的干扰,传统上难以测量,如果电子产品出现EFT/ESD问题,工程师只能凭经验去解决问题。E1抗干扰开发系统,给工程师一个全新的测量概念,能快速定位电路存在的敏感点,并通过设计修改,能以最低的成本让被测物通过相关的电磁兼容标准测试。

关键字:突发  高压  宽频

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/qtjs/200605/616.html
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