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  1. 解決方案

    用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統

    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。通過上文的介紹,我們知道,部分電子產品需要通過電快速瞬變脈沖群(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。接觸放電測試時的ESD信號的峰值電壓可高達8kV,上升時間小于1ns。這兩種突發干擾,都具有突發、高壓、寬頻等特征,現在我們就在本文介紹下用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統,專門測量和排除EFT/ESD問題。。用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統由四大部分組成:

           1.產生突發干擾的突發干擾信號源HGZ01

    HGZ01產生連續的類似于EFT或者ESD的干擾脈沖,脈沖的上升沿時間為2ns,下降沿時間為約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。

    HGZ01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HGZ01內置的光纖輸入計數器,能對PCB進行特別快速的抗干擾性能評估。

    HGZ01采用電氣隔離(無大地參考)的對稱輸出。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.接收突發干擾的瞬態磁場探頭MS02

    流過EUT的干擾電流會產生磁場。通過磁場的強度和方向等信息能提供干擾電流的分布情況。MS02瞬態磁場探頭是一個無源探頭,通過光纖連接到HGZ01計數器的輸入,利用計數器的讀數,可以測量突發電磁場的相對強度。

    如果MS02檢測到磁場脈沖,它就會發出一個光脈沖。光脈沖的數量,可以在HGZ01計數器上讀到,這個值和測量到的平均磁場強度成一定的比例。只有穿過探頭環的磁力線才會被檢測到,因此通過旋轉探頭的方向,找到*大計數值,可以檢測到磁力線的方向,從而準確探測干擾電流的方向。

    3.將信號源的電輸出變為突發電磁場的電場和磁場場源探頭組

    場源探頭組,包括各種尺寸和形狀的磁場場源探頭和電場場源探頭,*小分辨率可小于1mm??梢赃B接到HGZ01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、關鍵布線、電纜、接插件等地方注入干擾,用于定位電路敏感點位置。

    在利用HGZ01信號源和瞬態磁場探頭找出干擾電流的路徑之后,使用場源探頭,可以檢查該路徑周圍是否存在敏感的信號線或者器件,如果是器件,還應該檢查是器件的哪個引腳。

    不同的電路結構,可能會對磁場敏感,也可能會對電場敏感。E1中的場源,有的是產生磁場的,有的是產生電場的,這樣可以確認EUT對哪種類型的干擾場敏感。

    4.檢測集成電路敏感度的IC傳感器

    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,感應突發干擾對數字邏輯的影響,并把干擾情況通過光纖傳遞到計數器。

    E1抗干擾開發系統,配置有多種EMC傳感器,可以監測PCB上的關鍵信號線、電源、地、電纜、接插件等被動干擾的情況。

    用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統定位EFT/ESD問題的方法

    用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統,在設備內部仿真干擾的過程。能采用不同的方式,向電子模塊直接注入干擾電流、電場和磁場,以定位電路板上的電磁薄弱點,理解耦合機理,并完成*優化的設計修改。

    用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統不能按照某個標準進行兼容性測試。所以建議先對被測物進行標準的抗干擾測試,然后對可能的故障原因進行分析,再利用E1來找出更多的故障原因,并利用E1在產品開發場地進行設計修改的評估。

    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抗干擾開發系統,測量和定位EFT/ESD問題的一般步驟為:

    1.故障粗略定位

    檢查EUT的各個電路模塊,例如整塊PCB、PCB間的互聯電纜、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HGZ01信號源的兩個輸出,分別連接到電路模塊的GND上,判斷是否是磁場敏感。如果在這種方式下,EUT出現期望的功能故障,說明在這兩個GND節點之間存在的干擾電流路徑周圍,存在對磁場敏感的敏感點。

    * 單極連接方式注入干擾:

    把HGZ01信號源的其中一個輸出接到電路模塊的GND上,另一個輸出端接到EUT的機箱(可以用電場場源模擬機箱),判斷是否是電場敏感。如果單極連接期間出現功能故障,可能是:

    電場:直接由EUT和場源探頭間引起的故障;

    磁場:流入電場的電流產生磁場,磁場被耦合到信號環路上,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很短的低阻抗的連接,從而消除電場的影響,如果不再出現那個已知的功能故障,就說明,那個已知的功能故障是由電場引起的。否則,這個故障可能是磁場引起的。

    2.測量干擾電流路徑

    通過"故障粗略定位",把敏感點位置進行了粗略的定位,同時確定了電路敏感的性質(磁場敏感或者電場敏感)。使用瞬態電磁場探頭,能測量EUT內部突發磁場的相對強度,并可以測量出干擾電流的流向。利用瞬態磁場探頭測量時,能幫助你發現:

    a. EUT內哪里存在突發磁場?

    b. EUT內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,應該采用多大容值的電容?

    e. 屏蔽連接的長度是如何影響旁路電流的?

    3.定位敏感點

    在把故障定位到模塊并測量出電流路徑之后,使用場源,能對敏感點進行定位:

    首先是根據前面的測量結果來選擇場源,決定使用磁場場源或者電場場源。

    再依據測量到的"電流路徑",沿著干擾電流方向的路徑,使用相應的場源對EUT注入干擾。E1抗干擾開發系統配備了不同分辨率的9種場源,選擇場源時,從大面積到小面積,選擇強度時,探頭由遠到近慢慢靠近EUT,從而*終確定敏感點的位置。

    4.評估電路修改有效性

    找出電路內部存在的敏感點之后,開發人員會進行電路修改以改善EUT的抗干擾性能。為此,E1抗干擾開發系統,使用了一套"脈沖率測量法"的技術,讓我們能對電路修改的有效性進行快速的評估。脈沖率測量法需要使用HGZ01發生器和傳感器。

    HGZ01產生如圖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,這樣就不需要發生器和計數器之間的同步。

    例如,用放在EUT內部的傳感器來監視敏感的信號線,一旦檢測到這根信號線上有干擾,就會發出一個光脈沖。HGZ01上的計數器對這些光脈沖進行計數。在一個周期信號(1秒鐘)序列期間檢測到的計數值,代表著干擾門限所處的位置,即EUT的敏感度。

    如果在一個周期脈沖序列里檢測到11個脈沖,則干擾門限是u1,意味著注入電壓為u1的突發干擾,本區域就會遭受干擾;

    如果檢測到的是3個脈沖,則干擾門限是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非常典型的應用:把HGZ01產生的干擾電流注入到EUT,S31傳感器測量EUT上受干擾的線上的信號,在HGZ01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 HGZ01的脈沖序列

    5.實時監視EUT工作狀態

    在抗干擾測試時,盡可能快地明確地發現EUT內的功能故障,是非常重要和關鍵的。然而,從外界來觀察的話,EUT故障經常是不可見的,或者過一段時間才能發現。例如,EUT里的處理器,已經死機了,但是顯示的還是正常的狀態,甚至顯示器上顯示的也是正常的信息。

    為了進行有效的故障定位,有必要使用S31傳感器來提供與EUT功能有關的信息,例如用S31去監視看門狗電路的后置觸發信號、片選信號等,以監視EUT的工作狀態。HGZ01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送來的光信號變為電信號,再連接到示波器上進行觀察和分析。

    總線系統或者接口上的數據流,往往能反映系統的操作狀態。但是通過示波器或者邏輯分析儀來監視是很浪費時間的,而且成本很高。采用HGZ01的計數器來監視數據流,是一個快速的方法。由于數據的內容會改變,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。這樣工程師就可以通過計數器顯示的結果來判斷設備的工作狀態。例如在EUT復位后重新啟動時記錄的值,就是代表了EUT當前的工作狀態。這樣,工程師就能在抗干擾測量中發現EUT是否復位了,還是在傳輸數據時經常要重新發送,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在EUT的程序中要求嚴格的階段(例如正在通過接口進行數據傳輸),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的時間,確保EUT不會產生功能故障。這種方法,是利用EUT出現故障作為敏感度的參考依據,在實際調試中需要花費大量精力和時間。

    如果在EUT內部某個位置安裝一個傳感器,傳感器的干擾門限是和時間無關的,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,就不需要進行長時間的測量。這種方法特別適合于評估濾波器、屏蔽以及旁路的效果。

    實際工作中,電路內部的IC和傳感器對快速干擾的敏感程度是不同的。所以可能會出現在干擾電壓增加時,EUT先被動干擾了,而傳感器還沒有被動干擾到,或者相反的情況。這時,需要建立一個EUT干擾門限和傳感器干擾門限的關系,如果在EUT上僅僅修改屏蔽或者濾波,則這種相對的關系會保持不變。傳感器干擾門限的改進,也意味著提高了EUT的抗干擾能力。

    本文小結

    對于EFT/ESD等突發的、高壓的、寬帶的干擾,傳統上難以測量,如果電子產品出現EFT/ESD問題,工程師只能憑經驗去解決問題。用于測量和排除EFT/ESD問題的E1抗干擾開發系統,給工程師一個全新的測量概念,能快速定位電路存在的敏感點,并通過設計修改,能以*低的成本讓被測物通過相關的電磁兼容標準測試。

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