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1、問題現(xiàn)象描述

某電力電子自動(dòng)化控制公司生產(chǎn)制造的智能電力控制設(shè)備，依據(jù)GB/T17626.4的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中斷錯(cuò)誤，具體現(xiàn)象如下：

圖1：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中斷測試圖示

 

客戶花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行分析調(diào)試，仍然無法解決問題，委托我司進(jìn)行整改，客戶具體測試標(biāo)準(zhǔn)要求如下表所示：（網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤是無法接受問題）

圖2：客戶測試標(biāo)準(zhǔn)要求

 

收到客戶郵寄的樣機(jī)，在客戶配合指導(dǎo)的前提下，搭建起測試平臺(tái)，進(jìn)行問題確認(rèn)。確認(rèn)從電源端口注入EFT干擾，則不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中斷錯(cuò)誤的問題；而從信號(hào)端口注入EFT干擾，則會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中斷錯(cuò)誤的問題，同客戶端測試結(jié)果基本吻合，排除試驗(yàn)場地、測試設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境的差異。    

 

圖3：產(chǎn)品形態(tài)圖

 

2、問題現(xiàn)象分析

EFT干擾測試其實(shí)質(zhì)是共模噪聲注入測試，干擾主要表現(xiàn)形式是共模噪聲電流泄放過程形成的空間場輻射耦合，共模噪聲在參考地平面流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的地電位差，而形成的電場耦合，以及高頻噪聲電流環(huán)路形成的環(huán)路感應(yīng)耦合。

圖4：EFT噪聲注入端口  

根據(jù)EFT注入干擾的特征，在注入端口線纜上增加不同規(guī)格材質(zhì)的磁環(huán)，無明顯改善基本排除共模電流磁場耦合問題；EFT噪聲注入的接地端子移除，衰減EFT噪聲電流改善非常明顯，注入信號(hào)端口對(duì)PE地增加1000pF濾波電容，問題改善非常明顯。

 

圖5：EFT噪聲注入接地端子位置

 

圖6：EFT噪聲注入端口對(duì)PE地增加1000pF電容    

 

信號(hào)端口增加不同規(guī)格的磁環(huán)，無明顯改善，則說明不是共模電流的磁場輻射耦合；在EFT噪聲注入端口增加1000pF電容對(duì)參考地，改善非常明顯，說明干擾的主要形式是以電場輻射的方式耦合；考慮到在注入信號(hào)端口增加電容，實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)策可行性較低。

 

圖6：EFT噪聲注入接地端子浮空衰減共模電流

 

移除EFT測試時(shí)接地端子，降低共模電流可以解決，初步分析判斷接地端子附近存在敏感信號(hào)，拆機(jī)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主控芯片靠近接地端子處，存在電場耦合的風(fēng)險(xiǎn)。    

 

圖7：EFT噪聲注入接地端子附近是主控芯片

 

主控芯片屬于敏感電路，容易耦合外部電場干擾，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中斷問題，電場耦合可以通過增加屏蔽罩進(jìn)行電場隔離，EFT測試結(jié)果PASS，網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷的問題消失，也可以將主控芯片移離EFT噪聲注入接地端子，減小空間電場耦合。

圖8：主控芯片增加金屬屏蔽罩隔離電場耦合

 

3、問題產(chǎn)生根因分析

 

 通過分析試驗(yàn)驗(yàn)證，問題產(chǎn)生的根因分析如下：    

 

  EFT干擾注入在信號(hào)線與PE參考地之間形成高頻電位差，存在較強(qiáng)的高頻電場輻射，而控制板的主芯片就處于電場輻射的范圍。在信號(hào)線增加對(duì)地1000pF Y電容,其本質(zhì)就是降低信號(hào)線在EFT干擾注入時(shí)的電位差，其實(shí)質(zhì)就是降低電場輻射，芯片受到的電場輻射噪聲也隨之變小。改變PE地接地位置，信號(hào)線對(duì)PE地的電場輻射位置也隨之改變，芯片不在電場輻射的范圍內(nèi)，或者說芯片受到的電場輻射噪聲是在芯片的承受范圍，芯片工作狀態(tài)未到任何影響。

 

圖9：EFT干擾耦合機(jī)理示意圖

 

圖10：移動(dòng)接地端子后EFT干擾耦合機(jī)理示意圖

 

  產(chǎn)品抗EFT干擾注入測試，其本質(zhì)上是共模干擾注入測試，雖然干擾頻率相對(duì)來說較低（5KHz/100KHz）；但其上升沿非常陡峭（方波），其高次諧波非常豐富（高頻電場）。高頻電壓產(chǎn)生的電場很容易與周圍敏感電路、敏感元件產(chǎn)生感應(yīng)騷擾電壓，尤其是敏感元件（例如：控制芯片或者芯片散熱片）之間發(fā)生的容性耦合，耦合噪聲超過芯片干擾容限時(shí)引起其誤動(dòng)作。此產(chǎn)品控制芯片靠近EFT測試地線時(shí)，注入信號(hào)與參考地（通常為PE）之間形成的分布電場，干擾到控制芯片引起工作狀態(tài)異常。

 

4、問題解決方案

 

通過分析驗(yàn)證，擬定問題的解決方案如下：

 

問題解決方案（一）：

主控芯片增加金屬屏蔽罩，進(jìn)行電場屏蔽，減小EFT注入時(shí)電場噪聲與控制芯片之間的容性耦合。

圖11：主控芯片增加金屬屏蔽罩

 

問題解決方案（二）

 

修改PCB Layout設(shè)計(jì)，將控制芯片由底層改為頂層，通過PCB板本身的金屬層形成電場屏蔽，解決與注入地線（PE地線）之間的容性耦合問題。    

圖12：主控芯片由底層調(diào)整到頂層

 

以上兩種方案均可以有效解決電快速脈沖群（EFT）測試時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中斷問題，綜合考慮項(xiàng)目改動(dòng)的影響及項(xiàng)目進(jìn)度影響，采用問題解決（一）。

 

5、案例思考與啟示

 

系統(tǒng)主控芯片通常是輻射發(fā)射問題的噪聲源頭，同時(shí)也是抗擾度敏感的源頭，外部的干擾噪聲注入形成的空間場干擾，則會(huì)在芯片內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或者感應(yīng)電流，當(dāng)超過的噪聲容限值，就容易導(dǎo)致主控芯片工作狀態(tài)異常。不同芯片敏感度不同，敏感點(diǎn)也不同，尤其增加金屬散熱片且散熱片本身浮空，不接地的情況下，更容易感應(yīng)電場噪聲。

EMS抗擾度測試的干擾機(jī)理：主要是地電位波動(dòng)引起的信號(hào)傳輸電平錯(cuò)誤，二是干擾的注入端口的空間磁場輻射與電場輻射，磁場輻射在敏感環(huán)路中容易感應(yīng)噪聲電流與噪聲電壓，電場輻射容易在敏感環(huán)路或者器件感應(yīng)噪聲電壓。