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电快速瞬变(EFT)抗扰度的设计考虑

摘要:  快速瞬变(EFT)是怎么来的? 当继电器、开关接触器或重型电机等感性负载断电时,会在配电系统上产生窄高频瞬变脉冲EFT。当公用事业供应商接通或断开功率因数校正设备时,也会产生这些EFT快速瞬变。电源线瞬变的一个 ...

快速瞬变(EFT)是怎么来的?
当继电器、开关接触器或重型电机等感性负载断电时,会在配电系统上产生窄高频瞬变脉冲EFT。当公用事业供应商接通或断开功率因数校正设备时,也会产生这些EFT快速瞬变。电源线瞬变的一个常见原因是,每当插入交流电源线、关闭设备或断路器打开或关闭时,就会发生火花。下图显示了瞬变是如何产生的,并通过电源线连接到终端设备。


IEC 61000-4-4规范定义了用于模拟产生的瞬态的测试电压波形通过切换交流电源线上的感性负载。本规范还规定了抗干扰性要求重复快速瞬变和系统的必要测试方法。

根据IEC 61000-4-4标准的定义,EFT波形旨在由制造商用于测试设备在快速瞬变下的性能。测试主要涉及EFT脉冲的注入进入设备的交流电源线。EFT波形也可以注入信号线和控制线,以及接地连接,以模拟瞬态噪声对这些线路的耦合。脉冲波形具有很高的稳定性振幅(0.5-4kV),上升时间短,重复率高,能量含量低。

IEC 61000-4-4还定义了试验基于脉冲波形振幅的电平。图2显示了IEC中定义的波形形状61000-4-4规格。它由75个脉冲组成,每300毫秒重复一次,持续1分钟。测试过程中注入正负极性EFT脉冲。

因此,该试验旨在显示电气和电子设备在受到此类快速冲击时的抗扰度转瞬即逝。有一些国际标准规定了瞬态抗扰性能的要求关于特定类别的设备。例如,欧盟的EN 55024描述了该测试信息技术设备的要求和性能标准。同样,IEC 61547描述了该试验照明设备的要求和性能标准。所有这些标准都衍生出它们的要求和要求IEC 61000-4-4中的试验方法。请咨询当地机构的相关性能豁免标准正在设计的设备的标准。

EFT测试脉冲波形


EFT测试等级
  
  
Level
  
电源端口
输入/输出信号/数据端口
Peak Voltage(kV)
Repetition Rate (kHz)
Peak Voltage (kV)
Repetition Rate (kHz)
1
0.5
5  or 100
0.25
5  or 100
2
1
5  or 100
0.5
5  or 100
3
2
5  or 100
1.0
5  or 100
4
4
5  or 100
2.0
5  or 100
Xa
Special
Special
Special
Special
注1:通常使用5-kHz的重复频率;然而,100 kHz更接近真实世界的情况。
注2:待测试的端子必须由制造商确定。
“X”是一个特殊级别。该等级必须在设备规范中规定。

EFT–5 kHz瞬变:频谱


EFT差模和共模噪声的可能传播路径


如上图所示,瞬态感应噪声是共模和差模噪声。共模“同相”或“同相”导体内通常存在“噪声”。差分噪声是仅在一根导线上存在,或在两根导线上以相反的相位存在。嵌入式控制器设计用于产生和作用于高速串行通信时钟等信号具有与瞬态感应噪声相当的时序规格。因此,瞬态感应噪声非常重要可能会干扰这些信号。在广泛的分类中,以下模块、引脚和信号是最重要的。

受瞬态感应噪声的影响主要有如下:
  • 电源和接地信号
  • 复位电路
  • 时钟/振荡器信号
  • 边缘敏感触发器
  • 高频数字信号
  • 模拟信号
  • I2C、SPI、UART等通信模块
  • 中央处理器
  • 闪存/内存

当瞬态诱发噪声影响一个或多个这些块时,可能会发生以下类型的系统故障:
  • 重置
  • 锁上
  • 模拟和数字信号的损坏
  • 通信故障
  • 内存损坏

重置/复位
由于瞬态感应噪声,设备可能会经历以下重置/复位之一:
  • 外部复位
  • 上电复位
  • 基于低电压检测(LVD-Low Voltage Detect)的复位
  • 断电复位
  • 看门狗复位
  • 软件重置复位
复位引脚上的瞬态感应噪声可触发外部复位。因此,外部复位可能由于电源电压骤降或接地参考偏移而发生,具体取决于复位引脚是高电平还是低电平。一些控制器具有备用重置引脚。在这种情况下,由于交替复位引脚上的噪声,设备也可以复位。

在AC-DC转换器输出端测得的电源线上的瞬态噪声波形


上图显示了EFT测试时在AC-DC转换器输出端测得的电源线上的波形波形被注入转换器。如你所见,峰值电压约为350 V。当有负载时,例如控制器电路对AC-DC转换器的输出,所看到的噪声特性可能会有所不同根据滤波器的不同,在控制器的电源输入端建立去耦网络。

在以下情况下会发生由于上电、低压检测和掉电而导致的复位:
  • 瞬态引起的噪声拉低了电源电压
  • 瞬态引起的噪声会改变接地参考
  • 瞬态引起的噪声会触发 I/O 上的 ESD 钳位电路,从而使设备骤降触发掉电复位。

如果有效电源电压低于器件工作电压范围,则会发生上电复位。 当控制器中启用掉电和基于低压检测的复位时,当有效电源电压低于触发电压并在最短时间后保持在该位置时,可能会发生这些事件。
如果固件未能及时清除看门狗定时器,则会发生看门狗复位。 这是由于通常由故障子系统(如 CPU 或闪存)引起的意外固件操作。
如果主设备在检测到系统中的异常行为(例如当主设备由于信号完整性丢失而接收到错误数据时)想要复位从设备,则会发生软件复位。 如果代码执行不正常并进入异常,也可能发生软件复位。 这种异常代码执行可能是由于 CPU、时钟、闪存或 RAM 中的状态损坏。

闩锁效应(Latch-up)这种问题会导致芯片功能的混乱或者电路直接无法工作甚至烧毁。
闩锁是瞬态引起的噪声实际上并没有造成损害的情况。 它只是进行设置,以便电源可以破坏零件或电路在没有电源循环重置的情况下变得无法正常工作。 由瞬态引起的噪声引起的接地反弹或接地参考偏移会驱动 CMOS 电路进入闩锁状态。 具体来说,它是在 CMOS 电路的电源轨之间创建低阻抗路径,触发寄生电流承载路径,从而破坏设备的正常运行。 需要重启电源才能纠正这种情况。 闩锁会因过电流而导致器件损坏。

模拟和数字信号的损坏
与低带宽数字或慢速模拟电路相比,快速数字电路更容易出现基于 EFT 的故障。
边缘敏感输入更容易受到瞬态引起的噪声的影响。 即使使用低通滤波,足够大的瞬态也可以注入足够的能量来破坏设备的运行。 瞬态也有可能以毛刺的形式传播,如下图所示。在高速数字输入(如时钟和数据输入)的情况下,这些毛刺可能被误认为是有效的数据脉冲。


振荡器/外部时钟引脚也会受到瞬态噪声的影响。 瞬变本身可以被控制器解释为有效的时钟脉冲。由于信号中断,模拟模块的模拟输入引脚上出现的瞬变可能导致数据失真。对于低电平模拟信号处理,效果更差。
通常控制器上的输入/输出端口具有多种功能。 中断引脚/端口正常操作的瞬态事件可以通过更改引脚状态、驱动模式或引脚功能来实现。 在极端情况下,瞬态事件实际上会触发引脚上的 ESD 保护块,并导致控制器进入闩锁状态。

通信故障
嵌入式应用中常用的通信协议有I2C、SPI和UART。通信故障可能由以下原因引起:
1、控制器中的通讯模块出现故障,瞬态感应噪声通过电源和接地传播到内部电路,可能会损坏该模块或对其施加压力。
2、时钟线上的时钟延长或毛刺 时钟信号上的毛刺可能会中断操作。另一方面,如果设备未能从其他设备接收到 ACK,则时钟可能会延长。这可能是由于内部块故障或发送 ACK 所需的主设备故障所致。当控制器内的操作状态机中断时,时钟也可能被延长。
3、信号完整性损失,由于通信线路所参考的电源和接地上的高噪声,信号完整性可能妥协,从而违反了协议规范。
4、收发器设备故障 I2C、SPI 主/从或UART 通信另一端的发送器/接收器可能容易受到瞬态噪声的影响。这些设备的重置、损坏或故障可能会中断通信。
5、数据查看系统(即计算机)与控制器之间的接口,如USB-to-UART Bridge、RS232、UART 电平转换器和串行电缆可能出现故障。

从本质上讲,UART比I2C或SPI协议更稳定,因为在UART协议中,信号在位时间窗口的中心进行采样,不像I2C或SPI在时钟边缘进行采样。电平转换器在用于UART通信时,凭借更高的电压电平,提高了信号裕度,从而提高了信噪比。

内存损坏
瞬态引起的噪声可能会损坏闪存或 RAM 等存储器,因为它们会干扰系统时钟或闪存写入电压。当内存损坏时,系统可能由于闪存校验和错误或无法启动可能由于闪存或 RAM 中的数据或代码损坏而失去功能。闪存损坏可能是永久性的或可能需要重启或重新编程才能恢复正常状态。另一方面,RAM 损坏可能需要电源循环或任何其他复位才能恢复正常操作。
子系统故障可以是永久性的,也可以是暂时的。如果损坏是永久性的,则很容易检测到。如果损坏是暂时的,例如闩锁或内存损坏,重启设备可能会恢复正常运行状态。进行 EFT 测试时,子系统可能会部分损坏,但仍可能完全损坏功能性的。当受到电源、高温或异常操作条件的压力时,损坏的然后组件可能会永久失效。这种潜在的影响很难识别和解决。

EFT性能评估标准
根据IEC 61000-4-4,相对于其规范定义的性能,控制器的功能丧失或性能退化可分为以下标准
  
标准/等级规则
  
描述
性能标准 A
试验后的正常性能在制造商规定的范围内。
性能标准 B
试验期间功能暂时丧失或性能下降;测试后,控制器恢复到正常性能,无需任何干预。
性能标准 C
试验期间功能暂时丧失或性能下降;测试后,控制器通过干预恢复到正常性能。
性能标准 D
试验期间功能丧失或性能下降;控制器因损坏而无法恢复。

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评论(1)

  1. 通过示波器分流分析EFT瞬态噪声

    通过示波器分流分析EFT瞬态噪声

    当您的设备由于瞬态噪声而出现故障时,请尝试通过以下方式解决问题:
    • 系统级别的更正,例如系统连接器和电缆布线的优化。
    • 布局更改和硬件级别过滤器的使用
    • 固件级别的免疫技术


    系统
    在系统层面上有一些基本的考虑因素,如果不加以考虑,可能会使系统容易受到瞬态诱发噪声的影响。有助于提高EFT免疫力的一些常见注意事项包括:

    系统连接器-连接线
    优化电源和信号连接,以便在入口点进行瞬态抑制,方法是尽可能短的导线,或者扭转(绞线)电源和接地线和/或信号和接地线(如下图所示)这将最小化目标板上的敏感信号与外部噪声源之间的耦合。

    电源和接地线或信号和接地线进行绞线

    电源和接地线或信号和接地线进行绞线


    系统电缆布线
    不要将经过过滤和未经过滤的线路放在一个电缆束中或彼此靠近。使噪声发生器(如继电器)和感应负载的线路远离敏感线路(如低电平模拟信号),以及I2C、SCL、SDA和UART等通信线路。

    焊接实践
    使用良好的电线或组件焊接; 不当或干焊会增加路径上的电感。 一个好的设计应该在电流路径上具有最小的电感(因此,最小的阻抗)。 有关焊接实践的更多详细信息,请参阅电子组装标准 IPC-A-610F。

    系统测试
    将系统置于EFT测试的标称工作条件下。在终端系统中测试目标板,以避免任何潜在的现场故障。在终端系统中调整系统原型以获得EFT免疫。通过坚持测试规范,可以正确评估设备的抗扰性能。

    电源和信号线连接
    如果您在板上的多个点提供电源、接地和信号/控制线的连接,则任何点的连接都没有必要产生相同的性能。 例如,在下图1中,电源和接地 (GND) 入口点使得去耦和大容量电容器被旁路,控制器可以看到所有噪声。 形成的电流回路是L1。 电源或接地拾取的噪声流经控制器。 这甚至可能导致控制器重置。为避免这种情况,请更改电路板的接地入口点,如下图2所示,去耦和大容量电容器在此处生效。 形成循环L2和L3, 通过 L2 的电流流过控制器,是滤波后的电流。 高频噪声取L3。

    电源和接地绕过滤波电容器并直接为控制器供电的不正确电源入口点

    电源和接地绕过滤波电容器并直接为控制器供电的不正确电源入口点

    电源和接地绕过滤波电容器并直接为控制器供电的不正确电源入口点


    修正了去耦电容器过滤电源线并为控制器供电的电源入口点

    修正了去耦电容器过滤电源线并为控制器供电的电源入口点

    修正了去耦电容器过滤电源线并为控制器供电的电源入口点


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