杜佐兵
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产品可靠性设计-辐射敏感度的测试与整改
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产品可靠性设计-传导敏感度的测试与整改

传导敏感度是确定外部的低频辐射场是否会通过I/O电缆或电源电缆耦合进入产品。

对于商用产品,这个测试的依据标准为IEC61000-4-6。

测试的频率范围通常为0.15~230MHz,所取频率取决于产品所处的环境或其实际使用的环境。施加的电压电平有效值为1V、3V或10V。对于商用产品的测试,射频信号通常为1KHz的正弦AM调制,调制深度为80%;对于军用和航空与航天试验,通常使用调制频率为1KHz的方波或持续时间很短的脉冲调制。这种调制设计用来对音频整流问题进行测试。比如,如果射频信号通过半导体或在音频或其他模拟电路中进行整流,那么低频调制可能会引起偏压混乱或会破坏敏感的模拟电路。

由于在电波暗室内很难在上述频率重复产生均匀的场,因此可以使用不同的手段将干扰信号直接耦合给产品的I/O电缆或电源电缆。

可以采用如下的模拟方式:

传导敏感度的问题检查和诊断

在大多数情况下,用于辐射敏感度和传导发射的方法同样适用于传导敏感度问题的检查与诊断。

这是因为接收外部射频能量的耦合振子-连接线电缆和外壳缝隙通过交叉耦合或在抑制感应能量的滤波器失效时能将这些场传导进产品。

不管能量是流入还是流出受试设备,其它的测试也都是同样的问题。

(1)I/O或电源电缆的滤波不好。

(2)电缆的屏蔽层与外壳或屏蔽壳体搭接得不好。

(3)屏蔽体之间的高阻抗搭接。

(4)视频LCD/LED显示屏具有大的孔缝。

(5)关键电路处的射频旁路不够充分,比如CPU的复位线。

典型的失效模式

辐射敏感度试验所用的能量能产生很多问题。可能会受到影响的一些方面总结如下:

(1)系统重启

(2)模拟或数字电路出现故障

(3)显示屏上出现错误的数据

(4)数据丢失

(5)数据传输停止、变慢或中断

(6)高误码率

(7)产生的状态发生改变

(8)开关电源受到干扰工作异常

故障诊断与整改

如果电源线或信号线滤波不好,那么电源线能把射频能量传导进产品。对于这种情况,应在电源线和受试产品之间加装外置的电源线滤波器。

在理想情况下,对于所有的I/O端口及直流电源或交流电源都应进行适当的滤波。

对于I/O端口比如USB或以太网,通常应使用为这些端口设计共模扼流圈或滤波器。否则,I/O电缆或电源线电缆能将射频能量完全地传输进电路。

在诊断故障的过程中,通过使用铝箔,就可以确定是电缆的问题还是壳体的问题。

一旦怀疑有敏感电缆,可使用如下方法:

(1)逐一对电缆进行测试以确定是哪条电缆或哪组电缆产生了问题。

(2)在有问题的电缆上尽可能接近产品连接器的地方加装铁氧体扼流圈。

(3)确保电缆屏蔽层与屏蔽壳体进行了很好的搭接。

(4)在任何可疑的输入或输出接口上加装简单的低通RC滤波器。串联电阻为47~100Ω,输入和信号或电源返回路径之间的电容推荐值为1~10nF。

特殊情况和问题

具有灵敏模拟电路前端或其他低电平模拟电路的设备对外部的射频场尤为敏感。

如果模拟信号为低频小于1MHz,则应尝试着在输入和信号返回路径之间增加1~10nF的电容器。

对于运放器件,可在正输入端和负输入端之间连接100pF的电容器件。

尤其要检查与任何系统或CPU复位线相关的电路。这些线通常应使用1~10nF的电容器件对噪声源进行滤波,并将其旁路到信号返回路径。

典型的解决方法

(1)在可疑的电缆上加装铁氧体是最快的办法,通常也是最先想到的办法。这时可以在所有的电缆上先都加上铁氧体磁环,直到能确认是哪条或哪组电缆出现了问题。一定要确保这些铁氧体的位置放置尽可能地靠近产品的I/O连接器或电源连接器。

(2)确保外壳或壳体没有产生泄露。可能需要增加紧固件的数量。壳体也可能需要附加的射频衬垫。

(3)可能需要使用低通滤波器。好的设计是在信号线上串联47Ω~100Ω的小电阻,同时在信号线与返回线或电源返回线之间使用1~10nF的电容。如果有可能,滤波器一定要使用最短的线缆。如果滤波器直接设计在PCB板上,高频时推荐使用贴装的器件。

(4)可能需要在对外部射频场敏感的内部电路节点,比如CUP的复位线上,跨接1~10nF的电容。同时要注意所加的电容不会影响信号质量。

(5)对于I/O线,使用贴片的数据线铁氧体共模扼流圈是最好的解决方法。

(6)一定要确保滤波器位于连接线电缆进入产品的壳体位置。与连接器有一定距离的任何滤波器,都会与敏感电路产生交叉耦合,从而引起敏感度问题。

注意:PCB的设计地走线,地回路,接地的位置 设计也是解决抗扰度设计成本最低的设计方法与思路!

目前行业内最典型的EMS敏感度的设计都跟这个结构图相关联。

产品问题的发生也是跟我们产品设计可靠性相关联的

更多的电子产品电路可靠性设计系列,会逐渐为大家解开这些设计方面的坑,让电子设计工程师少走弯路,敬请关注!

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