瞬態(tài)電磁脈沖對單片機(jī)的輻照效應(yīng)實驗及加固方法研究

靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射可產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)電磁脈沖（ESDEMP）。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,ESD EMP的危害也日趨嚴(yán)重。ESD EMP具有峰值大、頻帶寬等特點,作為近場危害源,對各種數(shù)字化設(shè)備的危害程序可與核電磁脈沖（NEMP）及雷電電磁脈沖（LEMP）相提并論[1]。因此,研究ESD EMP對電子系統(tǒng)的各種效應(yīng)及防護(hù)方法已成為靜電防護(hù)中的一個熱點問題。筆者以單片機(jī)系統(tǒng)為實驗對象,進(jìn)行了ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗,并在實驗的基礎(chǔ)上研究了ESD EMP的防護(hù)和加固方法。

1 實驗配置及方法

1.1 實驗配置

實驗配置如圖1所示。它主要由臺式靜電放電抗擾性實驗標(biāo)準(zhǔn)裝置、靜電放電模擬器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

根據(jù)國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-4-2,水平耦合板為鋁板,其尺寸為1600mm×800mm×1.5mm,置于一張水平放置的高為80cm的木桌上。靜電放電模擬器選用日本三基公司的NoiseKen ESS-200AX,用于產(chǎn)生模擬ESD EMP。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用型號為TDS680B的數(shù)字存儲示波器,采樣速率為5Gs/s,帶寬為1GHz,用于測量干擾波形。

如果選用現(xiàn)成的單片機(jī)系統(tǒng)作為實驗對象,由于其沒有故障自動診斷功能,只能觀察到很少的幾個故障現(xiàn)象,無法對ESD EMP的效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究。因此,本人設(shè)計了專門用于電磁脈沖效應(yīng)實驗的單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的故障自動診斷功能,幾乎能夠自動顯示單片機(jī)系統(tǒng)在電磁脈沖作用下可能出現(xiàn)的所有故障現(xiàn)象。

1.2 實驗方法

ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)的效應(yīng)實驗,采用輻照法。將被試單片機(jī)系統(tǒng)放置在水平耦合板上,用靜電放民模擬器對垂直耦合板進(jìn)行放電。靜電放電產(chǎn)生的輻射場直接作用于被試單片機(jī)系統(tǒng),單片機(jī)將自動顯示其受ESD EMP干擾的情況。

2 ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)輻照效應(yīng)實驗

2.1 實驗結(jié)果

利用上述實驗裝置,進(jìn)行了ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗。ESD模擬器工作于人體模型放電模式,放電方式為接觸放電（對垂直耦合板）。被試單片機(jī)與放電點的距離為10cm。實驗環(huán)境為：溫度24.0℃,濕度45.2%。

用于電磁脈沖效應(yīng)實驗的單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)成功,順利地觀察到了單片機(jī)系統(tǒng)在ESD EMP作用下出現(xiàn)的十大故障現(xiàn)象。它們分別是：①重啟動;②死機(jī);③控制狀態(tài)改變;④A/D誤差增大;⑤串行通訊出錯;⑥定時器CTC工作失誤;⑦外部中斷誤觸發(fā);⑧外RAM存儲器內(nèi)容被改定,讀外RAM出錯,寫外RAM出錯;⑨工作寄存器R0～R7,特殊功能寄存器SFR和片內(nèi)RAM的20～7F單元內(nèi)容出錯;⑩程序存儲器E2PROM內(nèi)容被改寫。

表1給出了上述故障出現(xiàn)時ESD模擬器的最小放電電壓。

表1 單片機(jī)出現(xiàn)故障時ESD模擬器的最小放電電壓

E2PROM內(nèi)容被改寫的情況出現(xiàn)的概率很小,到目前為止共觀察到7次,其中放電電壓最小的一次2.5kV。實驗環(huán)境為：溫度31℃,濕度62%。由于出現(xiàn)的次數(shù)較少,嚴(yán)格地講,2.5kV還不能作為E2PROM內(nèi)容被改寫的最小放電電壓。

2.2 典型故障分析

2.2.1單片機(jī)重啟動原因分析

重啟動是指單片機(jī)在正常運(yùn)行過程中被復(fù)位而使程序重新運(yùn)行的一種現(xiàn)象。單片機(jī)重啟動的原因之一是RST腳上的干擾信號被誤認(rèn)為是復(fù)位信號。圖2是單片機(jī)重啟動時在RST腳上采集到的干擾信號波形。要使單片機(jī)可靠復(fù)位,需RST腳出現(xiàn)不小于2個機(jī)器周期的電平[2]。當(dāng)晶振頻率fc=12MHz時,該高電平應(yīng)最少保持2μs。圖2中,干擾信號的正負(fù)脈沖寬度都遠(yuǎn)小于2μs,似乎不滿足復(fù)位條件。但該條件是可靠復(fù)位的條件,CPU內(nèi)的復(fù)位電路在每個機(jī)器周期 S5P2采樣一次RST的狀態(tài),如果連續(xù)兩次采集到的RST都處于高電平,則CPU同樣進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。由于RST腳上的干擾信號的持續(xù)時間接近2μs,在RST腳上連續(xù)兩次采集到高電平的可能性是存在的。

另一個原因是CPU內(nèi)部的復(fù)位信號線（RST不是直接復(fù)位信號）上有干擾信號,直接使單片機(jī)復(fù)位。后面的加固實驗將進(jìn)一步證明兩種原因的同時存在。

2.2.2 E2PROM內(nèi)容被改寫原因分析

E2PROM是電擦除程序存貯器,本系統(tǒng)采用28C64,工作電壓只有5V。28C64的正常寫操作要求其控制信號OE為高電平,CE和WE為低電平。單片機(jī)正常工作時,經(jīng)常出現(xiàn)OE為高電平同時CE為低電平的情況,但由于WE腳直接與電源相連,因此不可能發(fā)生寫操作。當(dāng)單片機(jī)受到干擾時,情況就不同了,WE腳上出現(xiàn)很強(qiáng)的干擾信號,從而使28C64工作于寫工作狀態(tài),改寫其程序內(nèi)容。

實驗中,用編程器顯示被改寫的E2PROM的內(nèi)容。其中一塊的顯示信息為：Different Bytes=000057;First Buffer Difference:000180H;First DevICe Difference:000180H。E2PROM內(nèi)容被改寫的情況有一定的規(guī)律性,即從某一單元開始,成片的內(nèi)容被改寫,有的達(dá)數(shù)百個字節(jié)。28C64正常工作時,其標(biāo)準(zhǔn)的字節(jié)寫入時間是10ms[3],而干擾持續(xù)時間只有微秒量級,顯然發(fā)生了異常操作。根據(jù)28C64的內(nèi)部組成框圖,很可能是干擾使內(nèi)部鎖存器將帶有干擾的控制信號鎖存了一段時間。在這段時間內(nèi),由于PC內(nèi)容連續(xù)改寫,從而使28C64內(nèi)容成片地被改寫。

3ESDEMP的防護(hù)加固方法研究

靜電放電電磁脈沖與電子系統(tǒng)的耦合途徑主要有：前門（天線）耦合和后門（孔、縫）耦合。電磁脈沖通過前門或后門耦合進(jìn)入電路,從而形成邏輯干擾或硬損傷。防護(hù)瞬變電磁場電子系統(tǒng)的損傷主要是控制電磁能量進(jìn)入電子系統(tǒng),概括起來為空域防護(hù)控制（屏蔽）、頻域防護(hù)控制、時域防護(hù)控制和能域防護(hù)控制。本文對最常用的屏蔽法和旁路保持法進(jìn)行了實驗研究。

3.1 屏蔽

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т朋w將被保護(hù)體包圍起來,從而進(jìn)行電磁性隔離的一種措施。對于輻射電磁脈沖場來說,屏蔽是非常效的一種防護(hù)方法。

本實驗將單片機(jī)電路放入一個尺寸為140mm×280mm×120mm的鐵制金屬盒內(nèi),金屬板厚度約為1mm。金屬盒的一側(cè)開有兩個直徑約18mm的圓孔,放置電源線和示波器探頭線。實驗環(huán)境為：溫度31.0℃,濕謔62%。實驗表明,如屏蔽后,干擾幅值衰減為原來的1/3。同時,還測出了加與不加屏蔽兩種情況下部分效應(yīng)的最小放電電壓：不加屏蔽時,死機(jī)、重啟動、控制狀態(tài)改變的最小放電電壓分別為4.8kV、4kV和2.6kV;加屏蔽后分別為14kV、12kV和7.6kV。由于溫濕度的升高,不加屏蔽時測得的最小放電電壓高于表1給出的結(jié)果,說明實驗結(jié)果與環(huán)境有很大關(guān)系。因此,每次實驗必須記錄實驗環(huán)境。

3.2 旁路保護(hù)

所謂旁路保護(hù),是指在被保護(hù)的對象之前并聯(lián)保護(hù)電路或器件,吸收電磁脈沖中的大部分能量,將被保護(hù)對象兩端的電壓控制在其能承受的范圍內(nèi)。常用的保護(hù)器件有：火花隙、氣體放電管、壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)抑制二極管（TVS）和電流型硅浪涌保護(hù)器件等。本實驗對響應(yīng)速度最快的TVS性能進(jìn)行了研究。

TVS以響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電電流小著稱,它能以10-12s量級的速率將兩極的高阻抗變?yōu)榈妥杩?吸收數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極電壓箝位于預(yù)定值[4]。在進(jìn)行單片機(jī)加固實驗時,在電路中的各敏感點與地之間并聯(lián)TVS器件,收到了良好的效果。

在前面的典型故障原因分析中,提到RST腳上的干擾信號是產(chǎn)生重啟動的原因之一。為,在RST和地之間并聯(lián)一個型號為SA5.0A（箝位電壓為5V,單向）的TVS。在實驗室溫度為31℃,濕度為53%時,側(cè)得并聯(lián)前后RST腳上的干擾信號波形如圖3的所示。圖3表明,并聯(lián)TVS后,RST腳的干擾信號受到了明顯衰減。同時還測出了并聯(lián)前后出現(xiàn)重啟動的最低放電電壓分別為3.8kV和7.5kV。

為進(jìn)一步證明引起重啟動的第二種原因存在的可能性,將單片機(jī)的12MHz換為6MHz,此時,RST腳上需出現(xiàn)不小于4μs的高電平才能使單片機(jī)可靠復(fù)位,而RST上的干擾信號的持續(xù)時間達(dá)不到4μs,不足以使單片機(jī)復(fù)位。實驗測得,工作頻率為6MHz時,加裝TVS后單片機(jī)發(fā)生重啟動的最低放電電壓基本不變,得啟動是由CPU內(nèi)部的復(fù)位信號線上的干擾信號所致。

ESDEMP對單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗表明,單片機(jī)系統(tǒng)在ESD EMP作用睛,會產(chǎn)生重啟動、死機(jī)、通訊出錯等多種故障現(xiàn)象。對單片機(jī)實施屏蔽和旁路保護(hù)等措施可有效提高其抗干擾能力。