EFT/ESD問(wèn)題的測量和定位

大部分電子產(chǎn)品需要通過(guò)電快速瞬變脈沖群（EFT）（根據IEC61000-4-4）和靜電放電（ESD）(根據IEC61000-4-2)等項目的標準測試。EFT和ESD是兩種典型的突發(fā)干擾，EFT信號單脈沖的峰值電壓可高達4kV，上升沿5ns。接觸放電測試時(shí)的ESD信號的峰值電壓可高達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)行標準的EFT/ESD測試時(shí)，把干擾脈沖從設備外部耦合到內部，同時(shí)監視設備的工作狀態(tài)。如果設備沒(méi)有通過(guò)這些標準的測試，測試本身幾乎不能提供任何如何解決問(wèn)題的信息。 

要想定位被測物(EUT)對突發(fā)干擾敏感的原因和位置，必須進(jìn)行信號測量。但是如果采用示波器進(jìn)行測量的話(huà)，EUT內部的干擾會(huì )產(chǎn)生變化。例如圖1中，使用金屬導線(xiàn)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，從而影響測試結果，很難定位產(chǎn)生ESD/EFT問(wèn)題的原因。 

 
圖1 用示波器測量EFT/ESD
 

EFT/ESD干擾電路正常工作的機理 

在進(jìn)行EFT/ESD等抗擾度測試時(shí)，需要把相應的突發(fā)干擾施加到EUT的電源線(xiàn)，信號線(xiàn)或者機箱等位置。干擾電流會(huì )通過(guò)電纜或者機箱，流入EUT的內部電路，可能會(huì )引起EUT技術(shù)指標的下降，例如干擾音頻或視頻信號，或者引起通信誤碼等；也可能引起系統復位，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設計和集成電路的敏感度。電路對EFT/ESD信號敏感的位置，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(lèi)型和制造商。 

實(shí)踐發(fā)現，產(chǎn)生EFT/ESD問(wèn)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。干擾電流能通過(guò)直接的連接進(jìn)入GND系統，再由線(xiàn)路連接，從另外一個(gè)地方耦合出來(lái)；干擾電流也能通過(guò)直接連接進(jìn)入GND系統，然后通過(guò)和金屬塊(例如機箱)等物體的容性耦合方式，以電場(chǎng)的方式(場(chǎng)束)耦合出來(lái)。 

 
干擾脈沖電流I通過(guò)電纜或者電容滲透到PCB內。由干擾電流產(chǎn)生電場(chǎng)干擾(電場(chǎng)強度E)或者磁場(chǎng)干擾(磁場(chǎng)強度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(lái)說(shuō)，敏感點(diǎn)要么僅對磁場(chǎng)敏感，要么僅對電場(chǎng)敏感。 

干擾電流I通過(guò)電源線(xiàn)注入到設備內部。由于旁路電容C的存在，一部分電流IA離開(kāi)了被測物，內部的干擾電流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?chē)鷰桌迕追秶鷥鹊碾娐纺K，一般電路模塊內只會(huì )有很少的信號線(xiàn)會(huì )對磁場(chǎng)B敏感。 

需要注意，磁場(chǎng)不僅僅由電源線(xiàn)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的電流路徑以及內部GND和VCC上的電流，會(huì )擴大干擾范圍。 

在電源系統(主要是GND)上流動(dòng)的干擾電流，產(chǎn)生的很強的寬頻譜電磁場(chǎng)，能干擾其周?chē)鷰桌迕追秶鷥鹊募呻娐坊蛘咝盘柧€(xiàn)，如果敏感的信號線(xiàn)或者器件，例如復位信號、片選信號、晶體等，正好放置在干擾電流路徑周?chē)?，系統就可能由此引起各種不穩定的現象。 

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 )被限制在很少的區域。在把這些敏感點(diǎn)找出來(lái)，并采取適當的手段后，就能提高產(chǎn)品的抗干擾性能。 

由此可見(jiàn)，為了定位EUT不能通過(guò)EFT/ESD測試的原因，我們就必須首先找出這些突發(fā)干擾在系統內部的電流路徑，再找出該路徑周?chē)嬖谀男┟舾械男盘柧€(xiàn)和器件(敏感點(diǎn))，之后可以采取改善接地系統以改變電流路徑，或者移動(dòng)敏感信號線(xiàn)和器件的位置等方法，從根本上以最低的成本解決EFT/ESD問(wèn)題。 

E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統 

由于EFT/ESD信號具有高壓和寬頻譜等特征，傳統的示波器和頻譜分析儀很難測量干擾電流的路徑。本文介紹的E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統，專(zhuān)門(mén)用于測量和排除EFT/ESD問(wèn)題。E1系統由四大部分組成： 

1．產(chǎn)生突發(fā)干擾的突發(fā)干擾信號源SGZ21 

SGZ21產(chǎn)生連續的類(lèi)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準的EFT脈沖或ESD脈沖小，因此能在不損壞被測設備的情況下，把干擾直接耦合到EUT的內部PCB上。 

SGZ21輸出的脈沖信號，其脈沖幅度是連續變化的，峰值在0－1500V之間，按統計平均分布。利用這種方法，配合傳感器，加上SGZ21內置的光纖輸入計數器，能對PCB進(jìn)行特別快速的抗干擾性能評估。 

SGZ21采用電氣隔離(無(wú)大地參考)的對稱(chēng)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物的GND系統上，把干擾電流直接注入到GND系統。 

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，從次級返回。 

2．接收突發(fā)干擾的瞬態(tài)磁場(chǎng)探頭MS02 

流過(guò)EUT的干擾電流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。通過(guò)磁場(chǎng)的強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(wú)源探頭，通過(guò)光纖連接到SGZ21計數器的輸入，利用計數器的讀數，可以測量突發(fā)電磁場(chǎng)的相對強度。 

如果MS02檢測到磁場(chǎng)脈沖，它就會(huì )發(fā)出一個(gè)光脈沖。光脈沖的數量，可以在SGZ21計數器上讀到，這個(gè)值和測量到的平均磁場(chǎng)強度成一定的比例。只有穿過(guò)探頭環(huán)的磁力線(xiàn)才會(huì )被檢測到，因此通過(guò)旋轉探頭的方向，找到最大計數值，可以檢測到磁力線(xiàn)的方向，從而準確探測干擾電流的方向。
3．將信號源的電輸出變?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信號源的輸出，向被測電路中的接地系統、電源系統、集成電路、引腳、分立元件、關(guān)鍵布線(xiàn)、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?chē)欠翊嬖诿舾械男盘柧€(xiàn)或者器件，如果是器件，還應該檢查是器件的哪個(gè)引腳。 

不同的電路結構，可能會(huì )對磁場(chǎng)敏感，也可能會(huì )對電場(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EUT對哪種類(lèi)型的干擾場(chǎng)敏感。 

4．檢測集成電路敏感度的IC傳感器等 

為了評估電路修改的有效性，特殊設計的IC傳感器S31能和EUT內部器件一樣，感應突發(fā)干擾對數字邏輯的影響，并把干擾情況通過(guò)光纖傳遞到計數器。 

E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統，配置有多種EMC傳感器，可以監測PCB上的關(guān)鍵信號線(xiàn)、電源、地、電纜、接插件等被干擾的情況。 

利用E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統定位EFT/ESD問(wèn)題的方法 

E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統，在設備內部仿真干擾的過(guò)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)，理解耦合機理，并完成最優(yōu)化的設計修改。 

E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統不能按照某個(gè)標準進(jìn)行兼容性測試。所以建議先對被測物進(jìn)行標準的抗干擾測試，然后對可能的故障原因進(jìn)行分析，再利用E1來(lái)找出更多的故障原因，并利用E1在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)場(chǎng)地進(jìn)行設計修改的評估。 

測量的目的是再現在標準抗干擾測試時(shí)的功能故障，從而確認和評估干擾被耦合入和耦合出的路徑。 

使用E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統，測量和定位EFT/ESD問(wèn)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內的電路功能模塊等。 

取EUT的一塊PCB或者一部分電路，對該模塊的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出現期望的功能故障，說(shuō)明在這兩個(gè)GND節點(diǎn)之間存在的干擾電流路徑周?chē)?，存在對磁?chǎng)敏感的敏感點(diǎn)。 

* 單極連接方式注入干擾： 

把SGZ21信號源的其中一個(gè)輸出接到電路模塊的GND上，另一個(gè)輸出端接到EUT的機箱(可以用電場(chǎng)場(chǎng)源模擬機箱)，判斷是否是電場(chǎng)敏感。如果單極連接期間出現功能故障，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)被耦合到信號環(huán)路上，導致出現故障。 

區分辦法： 

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，如果不再出現那個(gè)已知的功能故障，就說(shuō)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．測量干擾電流路徑 

通過(guò)"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，能測量EUT內部突發(fā)磁場(chǎng)的相對強度，并可以測量出干擾電流的流向。利用瞬態(tài)磁場(chǎng)探頭測量時(shí)，能幫助你發(fā)現： 

a. EUT內哪里存在突發(fā)磁場(chǎng)？ 

b. EUT內部的干擾電流是怎么流的？ 

c. 干擾電流有沒(méi)有流入集成電路的輸入和輸出？ 

d. 旁路電容有什么影響，應該采用多大容值的電容？ 

e. 屏蔽連接的長(cháng)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量出電流路徑之后，使用場(chǎng)源，能對敏感點(diǎn)進(jìn)行精確定位： 

首先是根據前面的測量結果來(lái)選擇場(chǎng)源，決定使用磁場(chǎng)場(chǎng)源或者電場(chǎng)場(chǎng)源。 

再依據測量到的"電流路徑"，沿著(zhù)干擾電流方向的路徑，使用相應的場(chǎng)源對EUT注入干擾。E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統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，選擇強度時(shí)，探頭由遠到近慢慢靠近EUT，從而最終確定敏感點(diǎn)的位置。 

4．評估電路修改有效性 

找出電路內部存在的敏感點(diǎn)之后，開(kāi)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(kāi)發(fā)系統，使用了一套"脈沖率測量法"的技術(shù)，讓我們能對電路修改的有效性進(jìn)行快速的評估。脈沖率測量法需要使用SGZ21發(fā)生器和傳感器。 

SGZ21產(chǎn)生如圖6所示的，輸出脈沖無(wú)序的，峰值電平呈平均分布的脈沖信號，這樣就不需要發(fā)生器和計數器之間的同步。 

例如，用放在EUT內部的傳感器來(lái)監視敏感的信號線(xiàn)，一旦檢測到這根信號線(xiàn)上有干擾，就會(huì )發(fā)出一個(gè)光脈沖。SGZ21上的計數器對這些光脈沖進(jìn)行計數。在一個(gè)周期信號(1秒鐘)序列期間檢測到的計數值，代表著(zhù)干擾門(mén)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到11個(gè)脈沖，則干擾門(mén)限是u1，意味著(zhù)注入電壓為u1的突發(fā)干擾，本區域就會(huì )遭受干擾； 

如果檢測到的是3個(gè)脈沖，則干擾門(mén)限是u3。 

檢測到的脈沖數越少，表明模塊設計得越好。 

測量濾波器的濾波波形是一個(gè)非常典型的應用：把SGZ21產(chǎn)生的干擾電流注入到EUT，S31傳感器測量EUT上受干擾的線(xiàn)上的信號，在SGZ21計數器上可以讀到計數值，修改濾波器后，再次測量。兩次測量結果的對比，就可以很清楚地告訴你，你的設計修改是否有效。  
圖6 SGZ21的脈沖序列
 

5．實(shí)時(shí)監視EUT工作狀態(tài) 

在抗干擾測試時(shí)，盡可能快地明確地發(fā)現EUT內的功能故障，是非常重要和關(guān)鍵的。然而，從外界來(lái)觀(guān)察的話(huà)，EUT故障經(jīng)常是不可見(jiàn)的，或者過(guò)一段時(shí)間才能發(fā)現。例如，EUT里的處理器，已經(jīng)死機了，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(lái)提供與EUT功能有關(guān)的信息，例如用S31去監視看門(mén)狗電路的后置觸發(fā)信號、片選信號等，以監視EUT的工作狀態(tài)。SGZ21上的脈沖計數器可以監視，并判斷設備是否在正常工作。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(lái)的光信號變?yōu)殡娦盘?，再連接到示波器上進(jìn)行觀(guān)察和分析。 

總線(xiàn)系統或者接口上的數據流，往往能反映系統的操作狀態(tài)。但是通過(guò)示波器或者邏輯分析儀來(lái)監視是很浪費時(shí)間的，而且成本很高。采用SGZ21的計數器來(lái)監視數據流，是一個(gè)快速的方法。由于數據的內容會(huì )改變，而且計數器和數據包是不同步的，所以計數器上的值是會(huì )變化的。盡管如此，計數器上的值，還是能體現出EUT處于不同的工作狀態(tài)。這樣工程師就可以通過(guò)計數器顯示的結果來(lái)判斷設備的工作狀態(tài)。例如在EUT復位后重新啟動(dòng)時(shí)記錄的值，就是代表了EUT當前的工作狀態(tài)。這樣，工程師就能在抗干擾測量中發(fā)現EUT是否復位了，還是在傳輸數據時(shí)經(jīng)常要重新發(fā)送，或者類(lèi)似的由干擾引起的其他問(wèn)題。 

如果干擾脈沖正好出現在EUT的程序中要求嚴格的階段(例如正在通過(guò)接口進(jìn)行數據傳輸)，就可能出現功能故障。出現功能故障的頻繁程度，取決于EUT的結構。因此我們必須在適當的電壓電平上測量足夠長(cháng)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出現故障作為敏感度的參考依據，在實(shí)際調試中需要花費大量精力和時(shí)間。 

如果在EUT內部某個(gè)位置安裝一個(gè)傳感器，傳感器的干擾門(mén)限是和時(shí)間無(wú)關(guān)的，我們可以利用傳感器的計數值，作為敏感度的參考依據。這樣的話(huà)，就不需要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的測量。這種方法特別適合于評估濾波器、屏蔽以及旁路的效果。 

在實(shí)際工作中，電路內部的IC和傳感器對快速干擾的敏感程度是不同的。所以可能會(huì )出現在干擾電壓增加時(shí)，EUT先被干擾了，而傳感器還沒(méi)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(mén)限和傳感器干擾門(mén)限的關(guān)系，如果在EUT上僅僅修改屏蔽或者濾波，則這種相對的關(guān)系會(huì )保持不變。傳感器干擾門(mén)限的改進(jìn)，也意味著(zhù)提高了EUT的抗干擾能力。 

本文小結 

對于EFT/ESD等突發(fā)的、高壓的、寬帶的干擾，傳統上難以測量，如果電子產(chǎn)品出現EFT/ESD問(wèn)題，工程師只能憑經(jīng)驗去解決問(wèn)題。E1抗干擾開(kāi)發(fā)系統，給工程師一個(gè)全新的測量概念，能快速定位電路存在的敏感點(diǎn)，并通過(guò)設計修改，能以最低的成本讓被測物通過(guò)相關(guān)的電磁兼容標準測試。