ESDEMP對單片機的輻照效應(yīng)實驗及加固方法

1、ESD EMP對單片機的輻照效應(yīng)實驗及加固方法        摘要：為研究靜電放電電磁脈沖對電子系統(tǒng)的影響，進行了靜電放電電磁脈沖對單片機系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗。實驗表明，單片機系統(tǒng)在ESD EMP作用下，會出現(xiàn)死機、重啟動、通訊出錯和數(shù)據(jù)采集誤差增大等現(xiàn)象。在實驗基礎(chǔ)上，研究了對ESD EMP的加固方法。  靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射可產(chǎn)生很強的瞬態(tài)電磁脈沖（ESD EMP）。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，ESD EMP的危害也日趨嚴(yán)重。ESD EMP具有峰值大、頻帶寬等特點，作為近場危害源，對各種數(shù)字化設(shè)

2、備的危害程序可與核電磁脈沖（NEMP）及雷電電磁脈沖（LEMP）相提并論1。因此，研究ESD EMP對電子系統(tǒng)的各種效應(yīng)及防護方法已成為靜電防護中的一個熱點問題。筆者以單片機系統(tǒng)為實驗對象，進行了ESD EMP對單片機系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗，并在實驗的基礎(chǔ)上研究了ESD EMP的防護和加固方法。1 實驗配置及方法1.1 實驗配置實驗配置如圖1所示。它主要由臺式靜電放電抗擾性實驗標(biāo)準(zhǔn)裝置、靜電放電模擬器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。根據(jù)國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-4-2，水平耦合板為鋁板，其尺寸為1600mm×800mm×1.5mm，置于一張水平放置的高為80cm的木桌上。靜電放電模

3、擬器選用日本三基公司的NoiseKen ESS-200AX，用于產(chǎn)生模擬ESD EMP。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用型號為TDS680B的數(shù)字存儲示波器，采樣速率為5Gs/s，帶寬為1GHz，用于測量干擾波形。    如果選用現(xiàn)成的單片機系統(tǒng)作為實驗對象，由于其沒有故障自動診斷功能，只能觀察到很少的幾個故障現(xiàn)象，無法對ESD EMP的效應(yīng)機理進行深入研究。因此，本人設(shè)計了專門用于電磁脈沖效應(yīng)實驗的單片機系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有強大的故障自動診斷功能，幾乎能夠自動顯示單片機系統(tǒng)在電磁脈沖作用下可能出現(xiàn)的所有故障現(xiàn)象。1.2 實驗方法ESD EMP對單片機系統(tǒng)的效應(yīng)實驗，采用輻照法。將被

4、試單片機系統(tǒng)放置在水平耦合板上，用靜電放民模擬器對垂直耦合板進行放電。靜電放電產(chǎn)生的輻射場直接作用于被試單片機系統(tǒng)，單片機將自動顯示其受ESD EMP干擾的情況。2 ESD EMP對單片機系統(tǒng)輻照效應(yīng)實驗2.1 實驗結(jié)果利用上述實驗裝置，進行了ESD EMP對單片機系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實驗。ESD模擬器工作于人體模型放電模式，放電方式為接觸放電（對垂直耦合板）。被試單片機與放電點的距離為10cm。實驗環(huán)境為：溫度24.0，濕度45.2%。用于電磁脈沖效應(yīng)實驗的單片機系統(tǒng)的開發(fā)成功，順利地觀察到了單片機系統(tǒng)在ESD EMP作用下出現(xiàn)的十大故障現(xiàn)象。它們分別是：重啟動；死機；控制狀態(tài)改變；A/D誤差增大

5、；串行通訊出錯；定時器CTC工作失誤；外部中斷誤觸發(fā)；外RAM存儲器內(nèi)容被改定，讀外RAM出錯，寫外RAM出錯；工作寄存器R0R7，特殊功能寄存器SFR和片內(nèi)RAM的207F單元內(nèi)容出錯；程序存儲器E2PROM內(nèi)容被改寫。表1給出了上述故障出現(xiàn)時ESD模擬器的最小放電電壓。表1 單片機出現(xiàn)故障時ESD模擬器的最小放電電壓故障現(xiàn)象最小放電電壓（kV）故障現(xiàn)象最小放電壓（kV）故障現(xiàn)象最小放電電壓（kV）重啟動±3CTC工作失誤±3R0R7出錯±3.5死機±2.8外部中斷誤觸發(fā)±2.9SFT出錯±3.6控制狀態(tài)改變±1.2外RA

6、M改變±2.6207FH單元出錯±5A/D誤差增大±2.9寫外RAM出錯±3.3E2PROM被改寫±2.5串行通訊出錯±3.2讀外RAM出錯±3.2E2PROM內(nèi)容被改寫的情況出現(xiàn)的概率很小，到目前為止共觀察到7次，其中放電電壓最小的一次2.5kV。實驗環(huán)境為：溫度31，濕度62%。由于出現(xiàn)的次數(shù)較少，嚴(yán)格地講，2.5kV還不能作為E2PROM內(nèi)容被改寫的最小放電電壓。2.2 典型故障分析重啟動是指單片機在正常運行過程中被復(fù)位而使程序重新運行的一種現(xiàn)象。單片機重啟動的原因之一是RST腳上的干擾信號被誤認(rèn)為是復(fù)位信號。圖2是單

7、片機重啟動時在RST腳上采集到的干擾信號波形。要使單片機可靠復(fù)位，需RST腳出現(xiàn)不小于2個機器周期的電平2。當(dāng)晶振頻率fc=12MHz時，該高電平應(yīng)最少保持2s。圖2中，干擾信號的正負(fù)脈沖寬度都遠(yuǎn)小于2s，似乎不滿足復(fù)位條件。但該條件是可靠復(fù)位的條件，CPU內(nèi)的復(fù)位電路在每個機器周期 S5P2采樣一次RST的狀態(tài)，如果連續(xù)兩次采集到的RST都處于高電平，則CPU同樣進入復(fù)位狀態(tài)。由于RST腳上的干擾信號的持續(xù)時間接近2s，在RST腳上連續(xù)兩次采集到高電平的可能性是存在的。另一個原因是CPU內(nèi)部的復(fù)位信號線（RST不是直接復(fù)位信號）上有干擾信號，直接使單片機復(fù)位。后面的加固實驗將進一步證明兩種原

8、因的同時存在。E2PROM是電擦除程序存貯器，本系統(tǒng)采用28C64，工作電壓只有5V。28C64的正常寫操作要求其控制信號OE為高電平，CE和WE為低電平。單片機正常工作時，經(jīng)常出現(xiàn)OE為高電平同時CE為低電平的情況，但由于WE腳直接與電源相連，因此不可能發(fā)生寫操作。當(dāng)單片機受到干擾時，情況就不同了，WE腳上出現(xiàn)很強的干擾信號，從而使28C64工作于寫工作狀態(tài)，改寫其程序內(nèi)容。實驗中，用編程器顯示被改寫的E2PROM的內(nèi)容。其中一塊的顯示信息為：Different Bytes=000057；First Buffer Difference:000180H；First Device Differe

9、nce:000180H。E2PROM內(nèi)容被改寫的情況有一定的規(guī)律性，即從某一單元開始，成片的內(nèi)容被改寫，有的達數(shù)百個字節(jié)。28C64正常工作時，其標(biāo)準(zhǔn)的字節(jié)寫入時間是10ms3，而干擾持續(xù)時間只有微秒量級，顯然發(fā)生了異常操作。根據(jù)28C64的內(nèi)部組成框圖，很可能是干擾使內(nèi)部鎖存器將帶有干擾的控制信號鎖存了一段時間。在這段時間內(nèi)，由于PC內(nèi)容連續(xù)改寫，從而使28C64內(nèi)容成片地被改寫。3 ESD EMP的防護加固方法研究靜電放電電磁脈沖與電子系統(tǒng)的耦合途徑主要有：前門（天線）耦合和后門（孔、縫）耦合。電磁脈沖通過前門或后門耦合進入電路，從而形成邏輯干擾或硬損傷。防護瞬變電磁場電子系統(tǒng)的損傷主要是

10、控制電磁能量進入電子系統(tǒng)，概括起來為空域防護控制（屏蔽）、頻域防護控制、時域防護控制和能域防護控制。本文對最常用的屏蔽法和旁路保持法進行了實驗研究。3.1 屏蔽屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т朋w將被保護體包圍起來，從而進行電磁性隔離的一種措施。對于輻射電磁脈沖場來說，屏蔽是非常效的一種防護方法。本實驗將單片機電路放入一個尺寸為140mm×280mm×120mm的鐵制金屬盒內(nèi)，金屬板厚度約為1mm。金屬盒的一側(cè)開有兩個直徑約18mm的圓孔，放置電源線和示波器探頭線。實驗環(huán)境為：溫度31.0，濕謔62%。實驗表明，如屏蔽后，干擾幅值衰減為原來的1/3。同時，還測出了加與不加屏蔽兩種情況下部分

11、效應(yīng)的最小放電電壓：不加屏蔽時，死機、重啟動、控制狀態(tài)改變的最小放電電壓分別為4.8kV、4kV和2.6kV；加屏蔽后分別為14kV、12kV和7.6kV。由于溫濕度的升高，不加屏蔽時測得的最小放電電壓高于表1給出的結(jié)果，說明實驗結(jié)果與環(huán)境有很大關(guān)系。因此，每次實驗必須記錄實驗環(huán)境。3.2 旁路保護所謂旁路保護，是指在被保護的對象之前并聯(lián)保護電路或器件，吸收電磁脈沖中的大部分能量，將被保護對象兩端的電壓控制在其能承受的范圍內(nèi)。常用的保護器件有：火花隙、氣體放電管、壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)抑制二極管（TVS）和電流型硅浪涌保護器件等。本實驗對響應(yīng)速度最快的TVS性能進行了研究。TVS以響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電電流小著稱，它能以10-12s量級的速率將兩極的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收?shù)千瓦的浪涌功率，使兩極電壓箝位于預(yù)定值4。在進行單片機加固實驗時，在電路中的各敏感點與地之間并聯(lián)TVS器件，收到了良好的效果。為進一步證明引起重啟動的第二種原因存在的可能性，將單片機的12MHz換為6MHz，此時，RST腳上需出現(xiàn)不小于4s的高電平才能使單片機可靠復(fù)位，而RST上