電快速瞬變（EFT）抗擾度的設計考慮

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摘要:

快速瞬變（EFT）是怎么來的？ 當繼電器、開關接觸器或重型電機等感性負載斷電時，會在配電系統上產生窄高頻瞬變脈沖EFT。當公用事業供應商接通或斷開功率因數校正設備時，也會產生這些EFT快速瞬變。電源線瞬變的一個 ...

快速瞬變（EFT）是怎么來的？

當繼電器、開關接觸器或重型電機等感性負載斷電時，會在配電系統上產生窄高頻瞬變脈沖EFT。當公用事業供應商接通或斷開功率因數校正設備時，也會產生這些EFT快速瞬變。電源線瞬變的一個常見原因是，每當插入交流電源線、關閉設備或斷路器打開或關閉時，就會發生火花。下圖1顯示了瞬變是如何產生的，并通過電源線連接到終端設備。

EFT測試脈沖波形

IEC 61000-4-4規范定義了用于模擬產生的瞬態的測試電壓波形通過切換交流電源線上的感性負載。本規范還規定了抗干擾性要求重復快速瞬變和系統的必要測試方法。

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

IEC 61000-4-4還定義了試驗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規格。它由75個脈沖組成，每300毫秒重復一次，持續1分鐘。測試過程中注入正負極性EFT脈沖。

因此，該試驗旨在顯示電氣和電子設備在受到此類快速沖擊時的抗擾度轉瞬即逝。有一些國際標準規定了瞬態抗擾性能的要求關于特定類別的設備。例如，歐盟的EN 55024描述了該測試信息技術設備的要求和性能標準。同樣，IEC 61547描述了該試驗照明設備的要求和性能標準。所有這些標準都衍生出它們的要求和要求IEC 61000-4-4中的試驗方法。請咨詢當地機構的相關性能豁免標準正在設計的設備的標準。

EFT測試等級

注1：通常使用5-kHz的重復頻率；然而，100 kHz更接近真實世界的情況。
注2：待測試的端子必須由制造商確定。
“X”是一個特殊級別。該等級必須在設備規范中規定。

EFT差模和共模噪聲的可能傳播路徑

如上圖所示，瞬態感應噪聲是共模和差模噪聲。共模“同相”或“同相”導體內通常存在“噪聲”。差分噪聲是僅在一根導線上存在，或在兩根導線上以相反的相位存在。嵌入式控制器設計用于產生和作用于高速串行通信時鐘等信號具有與瞬態感應噪聲相當的時序規格。因此，瞬態感應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。

受瞬態感應噪聲的影響主要有如下：

• 電源和接地信號
• 復位電路
• 時鐘/振蕩器信號
• 邊緣敏感觸發器
• 高頻數字信號
• 模擬信號
• I2C、SPI、UART等通信模塊
• 中央處理器
• 閃存/內存
  

當瞬態誘發噪聲影響一個或多個這些塊時，可能會發生以下類型的系統故障：

• 重置
• 鎖上
• 模擬和數字信號的損壞
• 通信故障
• 內存損壞
  

重置/復位

由于瞬態感應噪聲，設備可能會經歷以下重置/復位之一：

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

復位引腳上的瞬態感應噪聲可觸發外部復位。因此，外部復位可能由于電源電壓驟降或接地參考偏移而發生，具體取決于復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，由于交替復位引腳上的噪聲，設備也可以復位。

在AC-DC轉換器輸出端測得的電源線上的瞬態噪聲波形

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

在以下情況下會發生由于上電、低壓檢測和掉電而導致的復位：

• 瞬態引起的噪聲拉低了電源電壓
• 瞬態引起的噪聲會改變接地參考
• 瞬態引起的噪聲會觸發 I/O 上的 ESD 鉗位電路，從而使設備驟降觸發掉電復位。
  

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

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

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

振蕩器/外部時鐘引腳也會受到瞬態噪聲的影響。 瞬變本身可以被控制器解釋為有效的時鐘脈沖。由于信號中斷，模擬模塊的模擬輸入引腳上出現的瞬變可能導致數據失真。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事件可以通過更改引腳狀態、驅動模式或引腳功能來實現。 在極端情況下，瞬態事件實際上會觸發引腳上的 ESD 保護塊，并導致控制器進入閂鎖狀態。

通信故障
嵌入式應用中常用的通信協議有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故障，瞬態感應噪聲通過電源和接地傳播到內部電路，可能會損壞該模塊或對其施加壓力。
2、時鐘線上的時鐘延長或毛刺 時鐘信號上的毛刺可能會中斷操作。另一方面，如果設備未能從其他設備接收到 ACK，則時鐘可能會延長。這可能是由于內部塊故障或發送 ACK 所需的主設備故障所致。當控制器內的操作狀態機中斷時，時鐘也可能被延長。
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，從而違反了協議規范。
4、收發器設備故障 I2C、SPI 主/從或UART 通信另一端的發送器/接收器可能容易受到瞬態噪聲的影響。這些設備的重置、損壞或故障可能會中斷通信。
5、數據查看系統（即計算機）與控制器之間的接口，如USB-to-UART Bridge、RS232、UART 電平轉換器和串行電纜可能出現故障。

從本質上講，UART比I2C或SPI協議更穩定，因為在UART協議中，信號在位時間窗口的中心進行采樣，不像I2C或SPI在時鐘邊緣進行采樣。電平轉換器在用于UART通信時，憑借更高的電壓電平，提高了信號裕度，從而提高了信噪比。

內存損壞

瞬態引起的噪聲可能會損壞閃存或 RAM 等存儲器，因為它們會干擾系統時鐘或閃存寫入電壓。當內存損壞時，系統可能由于閃存校驗和錯誤或無法啟動可能由于閃存或 RAM 中的數據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正常狀態。另一方面，RAM 損壞可能需要電源循環或任何其他復位才能恢復正常操作。

子系統故障可以是永久性的，也可以是暫時的。如果損壞是永久性的，則很容易檢測到。如果損壞是暫時的，例如閂鎖或內存損壞，重啟設備可能會恢復正常運行狀態。進行 EFT 測試時，子系統可能會部分損壞，但仍可能完全損壞功能性的。當受到電源、高溫或異常操作條件的壓力時，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性能評估標準

根據IEC 61000-4-4，相對于其規范定義的性能，控制器的功能喪失或性能退化可分為以下標準

標準/等級規則	描述
性能標準 A	試驗后的正常性能在制造商規定的范圍內。
性能標準 B	試驗期間功能暫時喪失或性能下降；測試后，控制器恢復到正常性能，無需任何干預。
性能標準 C	試驗期間功能暫時喪失或性能下降；測試后，控制器通過干預恢復到正常性能。
性能標準 D	試驗期間功能喪失或性能下降；控制器因損壞而無法恢復。