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        杜佐兵
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        產品可靠性設計-輻射敏感度的測試與整改

        一個重要的測試試驗是確定外部的射頻場是否會對產品產生影響是輻射抗擾度測試。對于商用產品測試標準為IEC 61000-4-3。試驗的頻率范圍通常為80~1000MHz。具體數值取決于產品所處的環境或其實際使用的環境。施加的場強電平范圍為3~20V/m。該測試是在半電波暗室內進行的,使用寬帶天線在受試產品的方向上輻射射頻場強。使用半波暗室的目的是避免對其它通信業務的干擾。一些軍用、車輛或航空與航天標準,要求施加的場強為200~1000V/m,測試的頻率上限到18GHz或更高。

        對于商用產品的測試,射頻信號通常為1KHz的正弦AM調制,調制深度為80%;對于軍用和航空與航天試驗,通常使用調制頻率為1KHz的方波或持續時間很短的脈沖調制。這種調制設計用來對音頻整流問題進行測試。

        比如,如果射頻信號通過半導體或在音頻或其他模擬電路中進行整流,那么低頻調制可能會引起偏壓混亂或會破壞敏感的模擬電路。

        測試和模擬如下圖所示,也因此根據實驗通常也有屏蔽、濾波、接地的改善措施。

        輻射敏感度問題的檢查和診斷

        在大多數情況下,輻射發射是輻射敏感度的相反的測試過程。原因是產品上向外產生輻射的發射天線也是接收天線。

        比如,電纜及外殼上的縫隙也能作為接收天線,能把射頻場傳輸給產品,并且能潛在地引起干擾或者使系統重啟。

        (1)電纜的屏蔽層與外殼或屏蔽殼體搭接的不好。

        (2)使用“豬尾巴”端接電纜的屏蔽層。

        (3)屏蔽面板之間的外殼或殼體搭接得不好。

        (4)視頻顯示LCD/LED具有大的孔縫。

        (5)I/O連接線或電源電纜的濾波不好。

        (6)關鍵電路處的射頻旁路不夠充分,比如CPU/MCU的復位線或模擬輸入或傳感器輸入。

        典型的失效模式

        輻射敏感度試驗所用的能量能產生很多問題??赡軙艿接绊懙囊恍┓矫婵偨Y如下:

        (1)系統重啟

        (2)模擬或數字電路出現故障

        (3)顯示屏上出現錯誤的數據

        (4)數據丟失

        (5)數據傳輸停止、變慢或中斷

        (6)高誤碼率

        (7)產品的狀態發生改變

        (8)測量中引入噪聲

        (9)測量系統的靈敏度失靈

        故障診斷與整改

        在大多數情況下,輻射敏感度的故障問題與輻射發射的問題相似。首先,應確定敏感度是否可能是由電纜作為天線或是由外殼或殼體上的泄露產生的。

        (1)盤繞線纜。用導線把電纜捆起來。由于電纜可能會成為拾取能量的天線,如果其物理尺寸盡量小,則能夠有效地減少所接收的能量。如果處理電纜有效的話,那么這個電纜就是拾取能量的天線。

        (2)用鋁箔包裹整個產品,確保殼體上的縫隙被覆蓋嚴實,允許電纜進出殼體。如果產品仍敏感,那么極有可能是電纜作為天線。如果電纜具有屏蔽層,盡可能用鋁箔包裹電纜的屏蔽層,使用導線帶將鋁箔與電纜的屏蔽層進行搭接。

        (3)通常應檢查電纜屏蔽層與外殼或殼體是否進行了好的搭接。在理想情況下,電纜的屏蔽層應與屏蔽殼體進行3600的搭接。盡可能在所有電纜上加裝鐵氧體磁環,并且在所關注的頻率范圍內至少提供幾百Ω的阻抗。然后,每次再移走其中的一個。直到找到故障的接收電纜。這是最快最有效的方法。

        (4)如果屏蔽層使用軟辮線與外殼進行端接,應使用鋁箔圍繞連接器把軟辮線與其包裹起來;使用導線帶把鋁箔與屏蔽層進行搭接,使用導線帶或銅帶把鋁箔與連接器進行搭接。

        (5)殼體或外殼的所有部分應彼此進行很好的搭接。使用近場探頭檢查縫隙、孔徑和間隙的發射泄露。

        (6)確保所有的縫隙時干凈的,且在縫隙上具有低阻抗的搭接。必須去除所有油漆或非導電的涂層。應盡可能地確保在縫隙的長度上電接觸是連續的。

        (7)當使用銅帶和鋁箔覆蓋縫隙或開口時,應確保銅帶和鋁箔與外殼金屬的直接接觸,而不是被放置在油漆或非導電的涂層上。

        在理想情況下,對于所有的I/O端口及直流電源或交流電源都應進行適當的濾波。對于I/O端口比如USB或以太網,通常應使用為這些端口設計共模扼流圈或濾波器。否則,I/O電纜或電源線電纜能將射頻能量完全地傳輸進電路。

        在診斷故障的過程中,通過使用鋁箔,就可以確定是電纜的問題還是殼體的問題。

        如果敏感頻率在200MHz、300MHz以下,通常電纜可能作為天線,把噪聲耦合給設備。一旦懷疑有敏感電纜,可使用如下方法:

        A.逐一移除電纜以確定是哪條電纜產生了問題,如果不能移除可以采用加磁環的方法進行判斷。

        B.在電纜上盡可能接近產品連接器的地方加裝鐵氧體扼流圈。

        C.在任何可疑的輸入或輸出接口上加裝簡單的低通RC濾波器。串聯電阻為47~100Ω,輸入和信號或電源返回路徑之間的電容推薦值為1~10nF。

        如果使用了上述的這些方法,電纜不存在問題,那么可能就是外殼或殼體的泄露,可檢查如下的位置:

        確保所有的殼體緊固件是緊的。使用銅帶封住可疑的縫隙。確保銅帶與外殼金屬是多處連接的。

        小信號電路的可靠性問題

        具有靈敏模擬電路前端或其他低電平模擬電路的設備對外部的射頻場尤為敏感。如果模擬信號為低頻小于1MHz,則應嘗試著在輸入和信號返回路徑之間增加1~10nF的電容器。對于運放器件,可在正輸入端和負輸入端之間連接100pF的電容器件。

        尤其要檢查與任何系統或CPU復位線相關的電路。這些線通常應使用1~10nF的電容器件對噪聲源進行濾波,并將其旁路到信號返回路徑。有時還需要在并聯電容前端串聯100Ω~1KΩ的電阻作為低通濾波器的一部分。

        輻射敏感度問題的 典型解決方法

        (1)在可疑的電纜上加裝鐵氧體是最快的辦法,通常也是最先想到的辦法。這時可以在所有的電纜上先都加上鐵氧體磁環,直到能確認是哪條或哪組電纜出現了問題。一定要確保這些鐵氧體的位置放置盡可能地靠近產品的I/O連接器或電源連接器。

        (2)確保外殼或殼體沒有產生泄露??赡苄枰黾泳o固件的數量。殼體也可能需要附加的射頻襯墊。

        (3)可能需要使用低通濾波器。好的設計是在信號線上串聯47Ω~100Ω的小電阻,同時在信號線與返回線或電源返回線之間使用1~10nF的電容。如果有可能,濾波器一定要使用最短的線纜。如果濾波器直接設計在PCB板上,高頻時推薦使用貼裝的器件。

        (4)可能需要在對外部射頻場敏感的內部電路節點,比如CUP的復位線上,跨接1~10nF的電容。同時要注意所加的電容不會影響信號質量。

        (5)對于I/O線,使用貼片的數據線鐵氧體共模扼流圈是最好的解決方法。

        (6)確保電纜的屏蔽層正確的端接,尤其是對于200MHz以下的問題。為了快速地解決問題,先露出電纜的屏蔽層,同時確保連接器是導電的或連接器的四周與外殼相連接。然后用一塊大的鋁箔,完整的包裹電纜,如果可能的話,可以多包裹幾層。使用導線帶把鋁箔與屏蔽層緊緊地搭接。連接器或外殼也采用同樣的方法處理。

        (7)如果出現問題的頻率非常高,比如500MHz及以上,那么這可能是由外殼引起的。如果產品較小,可使用鋁箔包裹整個外殼。如果產品較大,確保殼體之間的連接處是干凈的并且要清除掉連接處的油漆或涂層。這時可以用銅箔覆蓋縫隙。

        (8)沿著產品外殼布置電纜,在輸入端口附近布置的任何導線一定要遠離這些端口。這種問題通常是由能量的交叉耦合產生的。把敏感電路與發射能量的導線隔開,是一種經濟的解決方法。

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