瞬態(tài)電磁脈沖對單片機的輻照效應實(shí)驗及加固方法

靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射可產(chǎn)生很強的瞬態(tài)電磁脈沖（ESD EMP）。隨著(zhù)電子技術(shù)的高速發(fā)展,ESD EMP的危害也日趨嚴重。ESD EMP具有峰值大、頻帶寬等特點(diǎn),作為近場(chǎng)危害源,對各種數字化設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對電子系統的各種效應及防護方法已成為靜電防護中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。筆者以單片機系統為實(shí)驗對象,進(jìn)行了ESD EMP對單片機系統的輻照效應實(shí)驗,并在實(shí)驗的基礎上研究了ESD EMP的防護和加固方法。

1 實(shí)驗配置及方法

1.1 實(shí)驗配置

實(shí)驗配置如圖1所示。它主要由臺式靜電放電抗擾性實(shí)驗標準裝置、靜電放電模擬器和數據采集系統組成。

根據國際電工委員會(huì )標準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。數據采集系統選用型號為T(mén)DS680B的數字存儲示波器,采樣速率為5Gs/s,帶寬為1GHz,用于測量干擾波形。

如果選用現成的單片機系統作為實(shí)驗對象,由于其沒(méi)有故障自動(dòng)診斷功能,只能觀(guān)察到很少的幾個(gè)故障現象,無(wú)法對ESD EMP的效應機理進(jìn)行深入研究。因此,本人設計了專(zhuān)門(mén)用于電磁脈沖效應實(shí)驗的單片機系統。該系統具有強大的故障自動(dòng)診斷功能,幾乎能夠自動(dòng)顯示單片機系統在電磁脈沖作用下可能出現的所有故障現象。

1.2 實(shí)驗方法

ESD EMP對單片機系統的效應實(shí)驗,采用輻照法。將被試單片機系統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(chǎng)直接作用于被試單片機系統,單片機將自動(dòng)顯示其受ESD EMP干擾的情況。

2 ESD EMP對單片機系統輻照效應實(shí)驗

2.1 實(shí)驗結果

利用上述實(shí)驗裝置,進(jìn)行了ESD EMP對單片機系統的輻照效應實(shí)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）。被試單片機與放電點(diǎn)的距離為10cm。實(shí)驗環(huán)境為：溫度24.0℃,濕度45.2%。

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

表1給出了上述故障出現時(shí)ESD模擬器的最小放電電壓。

表1 單片機出現故障時(shí)ESD模擬器的最小放電電壓

E2PROM內容被改寫(xiě)的情況出現的概率很小,到目前為止共觀(guān)察到7次,其中放電電壓最小的一次2.5kV。實(shí)驗環(huán)境為：溫度31℃,濕度62%。由于出現的次數較少,嚴格地講,2.5kV還不能作為E2PROM內容被改寫(xiě)的最小放電電壓。