EFT/ESD問題的測(cè)量和定位

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/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。例如圖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/EFT問題的原因。

圖1 用示波器測(cè)量EFT/ESD

EFT/ESD干擾電路正常工作的機(jī)理

在進(jìn)行EFT/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)，或者引起通信誤碼等；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/ESD問題的最主要的原因是，干擾電流的主要部分會(huì)流入低阻抗的電源系統(tǒng)。干擾電流能通過直接的連接進(jìn)入GND系統(tǒng)，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(例如機(jī)箱)等物體的容性耦合方式，以電場(chǎng)的方式(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。圖中所示的由干擾電流Ii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)磁場(chǎng)B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。

在電源系統(tǒng)(主要是GND)上流動(dòng)的干擾電流，產(chǎn)生的很強(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)、晶體等，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/ESD測(cè)試的原因，我們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(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)線和器件的位置等方法，從根本上以最低的成本解決EFT/ESD問題。

E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)

由于EFT/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。本文介紹的E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)，專門用于測(cè)量和排除EFT/ESD問題。E1系統(tǒng)由四大部分組成(圖3)：

1．產(chǎn)生突發(fā)干擾的突發(fā)干擾信號(hào)源SGZ21

SGZ21產(chǎn)生連續(xù)的類似于EFT或者ESD的干擾脈沖，脈沖的上升沿時(shí)間為2ns，下降沿時(shí)間為約10ns。這些脈沖包含的能量比標(biāo)準(zhǔn)的EFT脈沖或ESD脈沖小，因此能在不損壞被測(cè)設(shè)備的情況下，把干擾直接耦合到EUT的內(nèi)部PCB上。

SGZ21輸出的脈沖信號(hào)，其脈沖幅度是連續(xù)變化的，峰值在0－1500V之間，按統(tǒng)計(jì)平均分布。利用這種方法，配合傳感器，加上SGZ21內(nèi)置的光纖輸入計(jì)數(shù)器，能對(duì)PCB進(jìn)行特別快速的抗干擾性能評(píng)估。

SGZ21采用電氣隔離(無大地參考)的對(duì)稱輸出。干擾脈沖能被容性耦合，極性可變。這樣，就能采用各種耦合方式，例如：

a. 把發(fā)生器的輸出直接連接到被測(cè)物的GND系統(tǒng)上，把干擾電流直接注入到GND系統(tǒng)。

b. 把干擾電流注入到GND，然后從VCC返回。

c. 干擾電流可以注入到變壓器、分配器或者光耦的初級(jí)，從次級(jí)返回。

2．接收突發(fā)干擾的瞬態(tài)磁場(chǎng)探頭MS02

流過EUT的干擾電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向等信息能提供干擾電流的分布情況。MS02瞬態(tài)磁場(chǎng)探頭是一個(gè)無源探頭，通過光纖連接到SGZ21計(jì)數(shù)器的輸入，利用計(jì)數(shù)器的讀數(shù)，可以測(cè)量突發(fā)電磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度。

如果MS02檢測(cè)到磁場(chǎng)脈沖，它就會(huì)發(fā)出一個(gè)光脈沖。光脈沖的數(shù)量，可以在SGZ21計(jì)數(shù)器上讀到，這個(gè)值和測(cè)量到的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度成一定的比例。只有穿過探頭環(huán)的磁力線才會(huì)被檢測(cè)到，因此通過旋轉(zhuǎn)探頭的方向，找到最大計(jì)數(shù)值，可以檢測(cè)到磁力線的方向，從而準(zhǔn)確探測(cè)干擾電流的方向。見圖4

3．將信號(hào)源的電輸出變?yōu)橥话l(fā)電磁場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)場(chǎng)源探頭組

場(chǎng)源探頭組，包括各種尺寸和形狀的磁場(chǎng)場(chǎng)源探頭和電場(chǎng)場(chǎng)源探頭，最小分辨率可小于1mm?？梢赃B接到SGZ21信號(hào)源的輸出，向被測(cè)電路中的接地系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、集成電路、引腳、分立元件、關(guān)鍵布線、電纜、接插件等地方注入干擾，用于精確定位電路敏感點(diǎn)位置。

在利用SGZ21信號(hào)源和瞬態(tài)磁場(chǎng)探頭找出干擾電流的路徑之后，使用場(chǎng)源探頭，可以檢查該路徑周圍是否存在敏感的信號(hào)線或者器件，如果是器件，還應(yīng)該檢查是器件的哪個(gè)引腳。

不同的電路結(jié)構(gòu)，可能會(huì)對(duì)磁場(chǎng)敏感，也可能會(huì)對(duì)電場(chǎng)敏感。E1中的場(chǎng)源，有的是產(chǎn)生磁場(chǎng)的，有的是產(chǎn)生電場(chǎng)的，這樣可以確認(rèn)EUT對(duì)哪種類型的干擾場(chǎng)敏感。

4．檢測(cè)集成電路敏感度的IC傳感器等

為了評(píng)估電路修改的有效性，特殊設(shè)計(jì)的IC傳感器S31能和EUT內(nèi)部器件一樣，感應(yīng)突發(fā)干擾對(duì)數(shù)字邏輯的影響，并把干擾情況通過光纖傳遞到計(jì)數(shù)器。

E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)，配置有多種EMC傳感器，可以監(jiān)測(cè)PCB上的關(guān)鍵信號(hào)線、電源、地、電纜、接插件等被干擾的情況。

利用E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)定位EFT/ESD問題的方法

E1抗干擾開發(fā)系統(tǒng)，在設(shè)備內(nèi)部仿真干擾的過程。能采用不同的方式，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)行兼容性測(cè)試。所以建議先對(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在產(chǎn)品開發(fā)場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改的評(píng)估。

測(cè)量的目的是再現(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/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、PCB間的互聯(lián)電纜、PCB內(nèi)的電路功能模塊等。

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：

* 兩極連接方式注入干擾：

把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，存在對(duì)磁場(chǎng)敏感的敏感點(diǎn)。

* 單極連接方式注入干擾：

把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：

電場(chǎng)：直接由EUT和場(chǎng)源探頭間引起的故障；

磁場(chǎng)：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。

區(qū)分辦法：

在EUT的GND和附近的金屬物體之間建立一個(gè)很短的低阻抗的連接，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)已知的功能故障是由電場(chǎng)引起的。否則，這個(gè)故障可能是磁場(chǎng)引起的。

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)敏感或者電場(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)，能幫助你發(fā)現(xiàn)：

a. EUT內(nèi)哪里存在突發(fā)磁場(chǎng)？

b. EUT內(nèi)部的干擾電流是怎么流的？

c. 干擾電流有沒有流入集成電路的輸入和輸出？

d. 旁路電容有什么影響，應(yīng)該采用多大容值的電容？

e. 屏蔽連接的長(zhǎng)度是如何影響旁路電流的？

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，開發(fā)人員會(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"的技術(shù)，讓我們能對(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SGZ21發(fā)生器和傳感器。

SGZ21產(chǎn)生如圖6所示的，輸出脈沖無序的，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)器之間的同步。

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6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，你的設(shè)計(jì)修改是否有效。

圖6 SGZ21的脈沖序列

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里的處理器，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。你也可以把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)，再連接到示波器上進(jìn)行觀察和分析。

總線系統(tǒng)或者接口上的數(shù)據(jù)流，往往能反映系統(tǒng)的操作狀態(tài)。但是通過示波器或者邏輯分析儀來監(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)器上的值是會(huì)變化的。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)器顯示的結(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)位了，還是在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常要重新發(fā)送，或者類似的由干擾引起的其他問題。

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，傳感器的干擾門限是和時(shí)間無關(guān)的，我們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。

本文小結(jié)

對(duì)于EFT/ESD等突發(fā)的、高壓的、寬帶的干擾，傳統(tǒng)上難以測(cè)量，如果電子產(chǎn)品出現(xiàn)EFT/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。