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,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)的各種效應及防護方法已成為靜電防護中的一個熱點問題。筆者以單片機系統(tǒng)為實驗對象,進行了ESD EMP對單片機系統(tǒng)的輻照效應實驗,并在實驗的基礎(chǔ)上研究了ESD EMP的防護和加固方法。
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準裝置、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(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的效應機理進行深入研究。因此,本人設(shè)計了專門用于電磁脈沖效應實驗的單片機系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有強大的故障自動診斷功能,幾乎能夠自動顯示單片機系統(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對單片機系統(tǒng)的效應實驗,采用輻照法。將被試單片機系統(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行放電。靜電放電產(chǎn)生的輻射場直接作用于被試單片機系統(tǒng),單片機將自動顯示其受ESD EMP干擾的情況。
2 ESD EMP對單片機系統(tǒng)輻照效應實驗
2.1 實驗結(jié)果
利用上述實驗裝置,進行了ESD EMP對單片機系統(tǒng)的輻照效應實驗。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%。
用于電磁脈沖效應實驗的單片機系統(tǒng)的開發(fā)成功,順利地觀察到了單片機系統(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;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 單片機重啟動原因分析
重啟動是指單片機在正常運行過程中被復位而使程序重新運行的一種現(xiàn)象。單片機重啟動的原因之一是RST腳上的干擾信號被誤認為是復位信號。圖2是單片機重啟動時在RST腳上采集到的干擾信號波形。要使單片機可靠復位,需RST腳出現(xiàn)不小于2個機器周期的電平[2]。當晶振頻率fc=12MHz時,該高電平應最少保持2μs。圖2中,干擾信號的正負脈沖寬度都遠小于2μs,似乎不滿足復位條件。但該條件是可靠復位的條件,CPU內(nèi)的復位電路在每個機器周期 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同樣進入復位狀態(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)部的復位信號線（RST不是直接復位信號）上有干擾信號,直接使單片機復位。后面的加固實驗將進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。當單片機受到干擾時,情況就不同了,WE腳上出現(xiàn)很強的干擾信號,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,有的達數(shù)百個字節(jié)。28C64正常工作時,其標準的字節(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。
3 ESD EMP的防護加固方法研究
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入電路,從而形成邏輯干擾或硬損傷。防護瞬變電磁場電子系統(tǒng)的損傷主要是控制電磁能量進入電子系統(tǒng),概括起來為空域防護控制（屏蔽）、頻域防護控制、時域防護控制和能域防護控制。本文對最常用的屏蔽法和旁路保持法進行了實驗研究。
3.1 屏蔽
屏蔽是用導電或?qū)Т朋w將被保護體包圍起來,從而進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方法。
本實驗將單片機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的最小放電電壓：不加屏蔽時,死機、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
所謂旁路保護,是指在被保護的對象之前并聯(lián)保護電路或器件,吸收電磁脈沖中的大部分能量,將被保護對象兩端的電壓控制在其能承受的范圍內(nèi)。常用的保護器件有：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器件等。本實驗對響應速度最快的TVS性能進行了研究。
TVS以響應速度快、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定值[4]。在進行單片機加固實驗時,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可靠復位,而RST上的干擾信號的持續(xù)時間達不到4μs,不足以使單片機復位。實驗測得,工作頻率為6MHz時,加裝TVS后單片機發(fā)生重啟動的最低放電電壓基本不變,得啟動是由CPU內(nèi)部的復位信號線上的干擾信號所致。
ESD EMP對單片機系統(tǒng)的輻照效應實驗表明,單片機系統(tǒng)在ESD EMP作用睛,會產(chǎn)生重啟動、死機、通訊出錯等多種故障現(xiàn)象。對單片機實施屏蔽和旁路保護等措施可有效提高其抗干擾能力。
下載文檔
