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标题: EFT/ESD问题的测量和定位 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 13:43
标题: EFT/ESD问题的测量和定位
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。
图2中，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(图3)：
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。见图4
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。
作者：沈学其
首席代表
容向系统科技有限公司

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