ESD EMP對單片機(jī)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及加固方法

;;; 摘要：為研究靜電放電電磁脈沖對電子系統(tǒng)的影響，進(jìn)行了靜電放電電磁脈沖對單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，單片機(jī)系統(tǒng)在ESD EMP作用下，會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、重啟動(dòng)、通訊出錯(cuò)和數(shù)據(jù)采集誤差增大等現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究了對ESD EMP的加固方法。 ;;; 關(guān)鍵詞：瞬態(tài)電磁脈沖（ESD EMP） 單片機(jī)系統(tǒng) 效應(yīng) 加固 靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射可產(chǎn)生很強(qiáng)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(yán)重。ESD EMP具有峰值大、頻帶寬等特點(diǎn)，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(yīng)及防護(hù)方法已成為靜電防護(hù)中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。筆者以單片機(jī)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行了ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了ESD EMP的防護(hù)和加固方法。 1 實(shí)驗(yàn)配置及方法 1.1 實(shí)驗(yàn)配置 實(shí)驗(yàn)配置如圖1所示。它主要由臺(tái)式靜電放電抗擾性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(huì)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(jī)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對象，由于其沒有故障自動(dòng)診斷功能，只能觀察到很少的幾個(gè)故障現(xiàn)象，無法對ESD EMP的效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究。因此，本人設(shè)計(jì)了專門用于電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的故障自動(dòng)診斷功能，幾乎能夠自動(dòng)顯示單片機(jī)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(shí)驗(yàn)方法 ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，采用輻照法。將被試單片機(jī)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(jìn)行放電。靜電放電產(chǎn)生的輻射場直接作用于被試單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)將自動(dòng)顯示其受ESD EMP干擾的情況。 2 ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用上述實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了ESD EMP對單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。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(jī)與放電點(diǎn)的距離為10cm。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：溫度24.0℃，濕度45.2%。 用于電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)成功，順利地觀察到了單片機(jī)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(dòng)；②死機(jī)；③控制狀態(tài)改變；④A/D誤差增大；⑤串行通訊出錯(cuò)；⑥定時(shí)器CTC工作失誤；⑦外部中斷誤觸發(fā)；⑧外RAM存儲(chǔ)器內(nèi)容被改定，讀外RAM出錯(cuò)，寫外RAM出錯(cuò)；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(cuò)；⑩程序存儲(chǔ)器E2PROM內(nèi)容被改寫。 表1給出了上述故障出現(xiàn)時(shí)ESD模擬器的最小放電電壓。

表1 單片機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)ESD模擬器的最小放電電壓