電快速瞬變（EFT）抗擾度的設(shè)計(jì)考慮

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摘要:

快速瞬變（EFT）是怎么來的？ 當(dāng)繼電器、開關(guān)接觸器或重型電機(jī)等感性負(fù)載斷電時(shí)，會在配電系統(tǒng)上產(chǎn)生窄高頻瞬變脈沖EFT。當(dāng)公用事業(yè)供應(yīng)商接通或斷開功率因數(shù)校正設(shè)備時(shí)，也會產(chǎn)生這些EFT快速瞬變。電源線瞬變的一個(gè) ...

快速瞬變（EFT）是怎么來的？

當(dāng)繼電器、開關(guān)接觸器或重型電機(jī)等感性負(fù)載斷電時(shí)，會在配電系統(tǒng)上產(chǎn)生窄高頻瞬變脈沖EFT。當(dāng)公用事業(yè)供應(yīng)商接通或斷開功率因數(shù)校正設(shè)備時(shí)，也會產(chǎn)生這些EFT快速瞬變。電源線瞬變的一個(gè)常見原因是，每當(dāng)插入交流電源線、關(guān)閉設(shè)備或斷路器打開或關(guān)閉時(shí)，就會發(fā)生火花。下圖1顯示了瞬變是如何產(chǎn)生的，并通過電源線連接到終端設(shè)備。

EFT測試脈沖波形

IEC 61000-4-4規(guī)范定義了用于模擬產(chǎn)生的瞬態(tài)的測試電壓波形通過切換交流電源線上的感性負(fù)載。本規(guī)范還規(guī)定了抗干擾性要求重復(fù)快速瞬變和系統(tǒng)的必要測試方法。

根據(jù)IEC 61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)的定義，EFT波形旨在由制造商用于測試設(shè)備在快速瞬變下的性能。測試主要涉及EFT脈沖的注入進(jìn)入設(shè)備的交流電源線。EFT波形也可以注入信號線和控制線，以及接地連接，以模擬瞬態(tài)噪聲對這些線路的耦合。脈沖波形具有很高的穩(wěn)定性振幅（0.5-4kV），上升時(shí)間短，重復(fù)率高，能量含量低。

IEC 61000-4-4還定義了試驗(yàn)基于脈沖波形振幅的電平。圖2顯示了IEC中定義的波形形狀61000-4-4規(guī)格。它由75個(gè)脈沖組成，每300毫秒重復(fù)一次，持續(xù)1分鐘。測試過程中注入正負(fù)極性EFT脈沖。

因此，該試驗(yàn)旨在顯示電氣和電子設(shè)備在受到此類快速沖擊時(shí)的抗擾度轉(zhuǎn)瞬即逝。有一些國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了瞬態(tài)抗擾性能的要求關(guān)于特定類別的設(shè)備。例如，歐盟的EN 55024描述了該測試信息技術(shù)設(shè)備的要求和性能標(biāo)準(zhǔn)。同樣，IEC 61547描述了該試驗(yàn)照明設(shè)備的要求和性能標(biāo)準(zhǔn)。所有這些標(biāo)準(zhǔn)都衍生出它們的要求和要求IEC 61000-4-4中的試驗(yàn)方法。請咨詢當(dāng)?shù)貦C(jī)構(gòu)的相關(guān)性能豁免標(biāo)準(zhǔn)正在設(shè)計(jì)的設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

EFT測試等級

注1：通常使用5-kHz的重復(fù)頻率；然而，100 kHz更接近真實(shí)世界的情況。
注2：待測試的端子必須由制造商確定。
“X”是一個(gè)特殊級別。該等級必須在設(shè)備規(guī)范中規(guī)定。

EFT差模和共模噪聲的可能傳播路徑

如上圖所示，瞬態(tài)感應(yīng)噪聲是共模和差模噪聲。共模“同相”或“同相”導(dǎo)體內(nèi)通常存在“噪聲”。差分噪聲是僅在一根導(dǎo)線上存在，或在兩根導(dǎo)線上以相反的相位存在。嵌入式控制器設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生和作用于高速串行通信時(shí)鐘等信號具有與瞬態(tài)感應(yīng)噪聲相當(dāng)?shù)臅r(shí)序規(guī)格。因此，瞬態(tài)感應(yīng)噪聲非常重要可能會干擾這些信號。在廣泛的分類中，以下模塊、引腳和信號是最重要的。

受瞬態(tài)感應(yīng)噪聲的影響主要有如下：

• 電源和接地信號
• 復(fù)位電路
• 時(shí)鐘/振蕩器信號
• 邊緣敏感觸發(fā)器
• 高頻數(shù)字信號
• 模擬信號
• I2C、SPI、UART等通信模塊
• 中央處理器
• 閃存/內(nèi)存
  

當(dāng)瞬態(tài)誘發(fā)噪聲影響一個(gè)或多個(gè)這些塊時(shí)，可能會發(fā)生以下類型的系統(tǒng)故障：

• 重置
• 鎖上
• 模擬和數(shù)字信號的損壞
• 通信故障
• 內(nèi)存損壞
  

重置/復(fù)位

由于瞬態(tài)感應(yīng)噪聲，設(shè)備可能會經(jīng)歷以下重置/復(fù)位之一：

• 外部復(fù)位
• 上電復(fù)位
• 基于低電壓檢測（LVD-Low Voltage Detect）的復(fù)位
• 斷電復(fù)位
• 看門狗復(fù)位
• 軟件重置復(fù)位
  

復(fù)位引腳上的瞬態(tài)感應(yīng)噪聲可觸發(fā)外部復(fù)位。因此，外部復(fù)位可能由于電源電壓驟降或接地參考偏移而發(fā)生，具體取決于復(fù)位引腳是高電平還是低電平。一些控制器具有備用重置引腳。在這種情況下，由于交替復(fù)位引腳上的噪聲，設(shè)備也可以復(fù)位。

在AC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端測得的電源線上的瞬態(tài)噪聲波形

上圖顯示了EFT測試時(shí)在AC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端測得的電源線上的波形波形被注入轉(zhuǎn)換器。如圖所見，峰值電壓約為350 V。當(dāng)有負(fù)載時(shí)，例如控制器電路對AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出，所看到的噪聲特性可能會有所不同根據(jù)濾波器的不同，在控制器的電源輸入端建立去耦網(wǎng)絡(luò)。

在以下情況下會發(fā)生由于上電、低壓檢測和掉電而導(dǎo)致的復(fù)位：

• 瞬態(tài)引起的噪聲拉低了電源電壓
• 瞬態(tài)引起的噪聲會改變接地參考
• 瞬態(tài)引起的噪聲會觸發(fā) I/O 上的 ESD 鉗位電路，從而使設(shè)備驟降觸發(fā)掉電復(fù)位。
  

如果有效電源電壓低于器件工作電壓范圍，則會發(fā)生上電復(fù)位。 當(dāng)控制器中啟用掉電和基于低壓檢測的復(fù)位時(shí)，當(dāng)有效電源電壓低于觸發(fā)電壓并在最短時(shí)間后保持在該位置時(shí)，可能會發(fā)生這些事件。
如果固件未能及時(shí)清除看門狗定時(shí)器，則會發(fā)生看門狗復(fù)位。 這是由于通常由故障子系統(tǒng)（如 CPU 或閃存）引起的意外固件操作。
如果主設(shè)備在檢測到系統(tǒng)中的異常行為（例如當(dāng)主設(shè)備由于信號完整性丟失而接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)）想要復(fù)位從設(shè)備，則會發(fā)生軟件復(fù)位。 如果代碼執(zhí)行不正常并進(jìn)入異常，也可能發(fā)生軟件復(fù)位。 這種異常代碼執(zhí)行可能是由于 CPU、時(shí)鐘、閃存或 RAM 中的狀態(tài)損壞。

閂鎖效應(yīng)（Latch-up）這種問題會導(dǎo)致芯片功能的混亂或者電路直接無法工作甚至燒毀。
閂鎖是瞬態(tài)引起的噪聲實(shí)際上并沒有造成損害的情況。 它只是進(jìn)行設(shè)置，以便電源可以破壞零件或電路在沒有電源循環(huán)重置的情況下變得無法正常工作。 由瞬態(tài)引起的噪聲引起的接地反彈或接地參考偏移會驅(qū)動 CMOS 電路進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。 具體來說，它是在 CMOS 電路的電源軌之間創(chuàng)建低阻抗路徑，觸發(fā)寄生電流承載路徑，從而破壞設(shè)備的正常運(yùn)行。 需要重啟電源才能糾正這種情況。 閂鎖會因過電流而導(dǎo)致器件損壞。

模擬和數(shù)字信號的損壞
與低帶寬數(shù)字或慢速模擬電路相比，快速數(shù)字電路更容易出現(xiàn)基于 EFT 的故障。
邊緣敏感輸入更容易受到瞬態(tài)引起的噪聲的影響。 即使使用低通濾波，足夠大的瞬態(tài)也可以注入足夠的能量來破壞設(shè)備的運(yùn)行。 瞬態(tài)也有可能以毛刺的形式傳播，如下圖所示。在高速數(shù)字輸入（如時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入）的情況下，這些毛刺可能被誤認(rèn)為是有效的數(shù)據(jù)脈沖。

振蕩器/外部時(shí)鐘引腳也會受到瞬態(tài)噪聲的影響。 瞬變本身可以被控制器解釋為有效的時(shí)鐘脈沖。由于信號中斷，模擬模塊的模擬輸入引腳上出現(xiàn)的瞬變可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。對于低電平模擬信號處理，效果更差。
通常控制器上的輸入/輸出端口具有多種功能。 中斷引腳/端口正常操作的瞬態(tài)事件可以通過更改引腳狀態(tài)、驅(qū)動模式或引腳功能來實(shí)現(xiàn)。 在極端情況下，瞬態(tài)事件實(shí)際上會觸發(fā)引腳上的 ESD 保護(hù)塊，并導(dǎo)致控制器進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。

通信故障
嵌入式應(yīng)用中常用的通信協(xié)議有I2C、SPI和UART。通信故障可能由以下原因引起：
1、控制器中的通訊模塊出現(xiàn)故障，瞬態(tài)感應(yīng)噪聲通過電源和接地傳播到內(nèi)部電路，可能會損壞該模塊或?qū)ζ涫┘訅毫Α?br/>2、時(shí)鐘線上的時(shí)鐘延長或毛刺 時(shí)鐘信號上的毛刺可能會中斷操作。另一方面，如果設(shè)備未能從其他設(shè)備接收到 ACK，則時(shí)鐘可能會延長。這可能是由于內(nèi)部塊故障或發(fā)送 ACK 所需的主設(shè)備故障所致。當(dāng)控制器內(nèi)的操作狀態(tài)機(jī)中斷時(shí)，時(shí)鐘也可能被延長。
3、信號完整性損失，由于通信線路所參考的電源和接地上的高噪聲，信號完整性可能妥協(xié)，從而違反了協(xié)議規(guī)范。
4、收發(fā)器設(shè)備故障 I2C、SPI 主/從或UART 通信另一端的發(fā)送器/接收器可能容易受到瞬態(tài)噪聲的影響。這些設(shè)備的重置、損壞或故障可能會中斷通信。
5、數(shù)據(jù)查看系統(tǒng)（即計(jì)算機(jī)）與控制器之間的接口，如USB-to-UART Bridge、RS232、UART 電平轉(zhuǎn)換器和串行電纜可能出現(xiàn)故障。

從本質(zhì)上講，UART比I2C或SPI協(xié)議更穩(wěn)定，因?yàn)樵赨ART協(xié)議中，信號在位時(shí)間窗口的中心進(jìn)行采樣，不像I2C或SPI在時(shí)鐘邊緣進(jìn)行采樣。電平轉(zhuǎn)換器在用于UART通信時(shí)，憑借更高的電壓電平，提高了信號裕度，從而提高了信噪比。

內(nèi)存損壞

瞬態(tài)引起的噪聲可能會損壞閃存或 RAM 等存儲器，因?yàn)樗鼈儠蓴_系統(tǒng)時(shí)鐘或閃存寫入電壓。當(dāng)內(nèi)存損壞時(shí)，系統(tǒng)可能由于閃存校驗(yàn)和錯(cuò)誤或無法啟動可能由于閃存或 RAM 中的數(shù)據(jù)或代碼損壞而失去功能。閃存損壞可能是永久性的或可能需要重啟或重新編程才能恢復(fù)正常狀態(tài)。另一方面，RAM 損壞可能需要電源循環(huán)或任何其他復(fù)位才能恢復(fù)正常操作。

子系統(tǒng)故障可以是永久性的，也可以是暫時(shí)的。如果損壞是永久性的，則很容易檢測到。如果損壞是暫時(shí)的，例如閂鎖或內(nèi)存損壞，重啟設(shè)備可能會恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)行 EFT 測試時(shí)，子系統(tǒng)可能會部分損壞，但仍可能完全損壞功能性的。當(dāng)受到電源、高溫或異常操作條件的壓力時(shí)，損壞的然后組件可能會永久失效。這種潛在的影響很難識別和解決。

EFT性能評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)IEC 61000-4-4，相對于其規(guī)范定義的性能，控制器的功能喪失或性能退化可分為以下標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)/等級規(guī)則	描述
性能標(biāo)準(zhǔn) A	試驗(yàn)后的正常性能在制造商規(guī)定的范圍內(nèi)。
性能標(biāo)準(zhǔn) B	試驗(yàn)期間功能暫時(shí)喪失或性能下降；測試后，控制器恢復(fù)到正常性能，無需任何干預(yù)。
性能標(biāo)準(zhǔn) C	試驗(yàn)期間功能暫時(shí)喪失或性能下降；測試后，控制器通過干預(yù)恢復(fù)到正常性能。
性能標(biāo)準(zhǔn) D	試驗(yàn)期間功能喪失或性能下降；控制器因損壞而無法恢復(fù)。