瞬态电磁脉冲对单片机的辐照效应实验及加固方法研究

    静电放电产生的电磁辐射可产生很强的瞬态电磁脉冲（ESD EMP）。随着电子技术的高速发展,ESD EMP的危害也日趋严重。ESD EMP具有峰值大、频带宽等特点,作为近场危害源,对各种数字化设备的危害程序可与核电磁脉冲（NEMP）及雷电电磁脉冲（LEMP）相提并论[1]。因此,研究ESD EMP对电子系统的各种效应及防护方法已成为静电防护中的一个热点问题。笔者以单片机系统为实验对象,进行了ESD EMP对单片机系统的辐照效应实验,并在实验的基础上研究了ESD EMP的防护和加固方法。

    1 实验配置及方法

    1.1 实验配置

    实验配置如图1所示。它主要由台式静电放电抗扰性实验标准装置、静电放电模拟器和数据采集系统组成。

    根据国际电工委员会标准IEC1000-4-2,水平耦合板为铝板,其尺寸为1600mm×800mm×1.5mm,置于一张水平放置的高为80cm的木桌上。静电放电模拟器选用日本三基公司的NoiseKen ESS-200AX,用于产生模拟ESD EMP。数据采集系统选用型号为TDS680B的数字存储示波器,采样速率为5Gs/s,带宽为1GHz,用于测量干扰波形。

    如果选用现成的单片机系统作为实验对象,由于其没有故障自动诊断功能,只能观察到很少的几个故障现象,无法对ESD EMP的效应机理进行深入研究。因此,本人设计了专门用于电磁脉冲效应实验的单片机系统。该系统具有强大的故障自动诊断功能,几乎能够自动显示单片机系统在电磁脉冲作用下可能出现的所有故障现象。

    1.2 实验方法

    ESD EMP对单片机系统的效应实验,采用辐照法。将被试单片机系统放置在水平耦合板上,用静电放民模拟器对垂直耦合板进行放电。静电放电产生的辐射场直接作用于被试单片机系统,单片机将自动显示其受ESD EMP干扰的情况。

    2 ESD EMP对单片机系统辐照效应实验

    2.1 实验结果

    利用上述实验装置,进行了ESD EMP对单片机系统的辐照效应实验。ESD模拟器工作于人体模型放电模式,放电方式为接触放电（对垂直耦合板）。被试单片机与放电点的距离为10cm。实验环境为：温度24.0℃,湿度45.2%。

    用于电磁脉冲效应实验的单片机系统的开发成功,顺利地观察到了单片机系统在ESD EMP作用下出现的十大故障现象。它们分别是：①重启动;②死机;③控制状态改变;④A/D误差增大;⑤串行通讯出错;⑥定时器CTC工作失误;⑦外部中断误触发;⑧外RAM存储器内容被改定,读外RAM出错,写外RAM出错;⑨工作寄存器R0～R7,特殊功能寄存器SFR和片内RAM的20～7F单元内容出错;⑩程序存储器E2PROM内容被改写。

    表1给出了上述故障出现时ESD模拟器的最小放电电压。

    表1 单片机出现故障时ESD模拟器的最小放电电压

    E2PROM内容被改写的情况出现的概率很小,到目前为止共观察到7次,其中放电电压最小的一次2.5kV。实验环境为：温度31℃,湿度62%。由于出现的次数较少,严格地讲,2.5kV还不能作为E2PROM内容被改写的最小放电电压。

    2.2 典型故障分析

    2.2.1 单片机重启动原因分析

    重启动是指单片机在正常运行过程中被复位而使程序重新运行的一种现象。单片机重启动的原因之一是RST脚上的干扰信号被误认为是复位信号。图2是单片机重启动时在RST脚上采集到的干扰信号波形。要使单片机可靠复位,需RST脚出现不小于2个机器周期的电平[2]。当晶振频率fc=12MHz时,该高电平应最少保持2μs。图2中,干扰信号的正负脉冲宽度都远小于2μs,似乎不满足复位条件。但该条件是可靠复位的条件,CPU内的复位电路在每个机器周期 S5P2采样一次RST的状态,如果连续两次采集到的RST都处于高电平,则CPU同样进入复位状态。由于RST脚上的干扰信号的持续时间接近2μs,在RST脚上连续两次采集到高电平的可能性是存在的。

    另一个原因是CPU内部的复位信号线（RST不是直接复位信号）上有干扰信号,直接使单片机复位。后面的加固实验将进一步证明两种原因的同时存在。

    2.2.2 E2PROM内容被改写原因分析

    E2PROM是电擦除程序存贮器,本系统采用28C64,工作电压只有5V。28C64的正常写操作要求其控制信号OE为高电平,CE和WE为低电平。单片机正常工作时,经常出现OE为高电平同时CE为低电平的情况,但由于WE脚直接与电源相连,因此不可能发生写操作。当单片机受到干扰时,情况就不同了,WE脚上出现很强的干扰信号,从而使28C64工作于写工作状态,改写其程序内容。

    实验中,用编程器显示被改写的E2PROM的内容。其中一块的显示信息为：Different Bytes=000057;First Buffer Difference:000180H;First DevICe Difference:000180H。E2PROM内容被改写的情况有一定的规律性,即从某一单元开始,成片的内容被改写,有的达数百个字节。28C64正常工作时,其标准的字节写入时间是10ms[3],而干扰持续时间只有微秒量级,显然发生了异常操作。根据28C64的内部组成框图,很可能是干扰使内部锁存器将带有干扰的控制信号锁存了一段时间。在这段时间内,由于PC内容连续改写,从而使28C64内容成片地被改写。

    3 ESD EMP的防护加固方法研究

    静电放电电磁脉冲与电子系统的耦合途径主要有：前门（天线）耦合和后门（孔、缝）耦合。电磁脉冲通过前门或后门耦合进入电路,从而形成逻辑干扰或硬损伤。防护瞬变电磁场电子系统的损伤主要是控制电磁能量进入电子系统,概括起来为空域防护控制（屏蔽）、频域防护控制、时域防护控制和能域防护控制。本文对最常用的屏蔽法和旁路保持法进行了实验研究。

    3.1 屏蔽

    屏蔽是用导电或导磁体将被保护体包围起来,从而进行电磁性隔离的一种措施。对于辐射电磁脉冲场来说,屏蔽是非常效的一种防护方法。

    本实验将单片机电路放入一个尺寸为140mm×280mm×120mm的铁制金属盒内,金属板厚度约为1mm。金属盒的一侧开有两个直径约18mm的圆孔,放置电源线和示波器探头线。实验环境为：温度31.0℃,湿谑62%。实验表明,如屏蔽后,干扰幅值衰减为原来的1/3。同时,还测出了加与不加屏蔽两种情况下部分效应的最小放电电压：不加屏蔽时,死机、重启动、控制状态改变的最小放电电压分别为4.8kV、4kV和2.6kV;加屏蔽后分别为14kV、12kV和7.6kV。由于温湿度的升高,不加屏蔽时测得的最小放电电压高于表1给出的结果,说明实验结果与环境有很大关系。因此,每次实验必须记录实验环境。

    3.2 旁路保护

    所谓旁路保护,是指在被保护的对象之前并联保护电路或器件,吸收电磁脉冲中的大部分能量,将被保护对象两端的电压控制在其能承受的范围内。常用的保护器件有：火花隙、气体放电管、压敏电阻（MOV）、瞬态抑制二极管（TVS）和电流型硅浪涌保护器件等。本实验对响应速度最快的TVS性能进行了研究。

    TVS以响应速度快、瞬态功率大、漏电电流小着称,它能以10-12s量级的速率将两极的高阻抗变为低阻抗,吸收数千瓦的浪涌功率,使两极电压箝位于预定值[4]。在进行单片机加固实验时,在电路中的各敏感点与地之间并联TVS器件,收到了良好的效果。

    在前面的典型故障原因分析中,提到RST脚上的干扰信号是产生重启动的原因之一。为,在RST和地之间并联一个型号为SA5.0A（箝位电压为5V,单向）的TVS。在实验室温度为31℃,湿度为53%时,侧得并联前后RST脚上的干扰信号波形如图3的所示。图3表明,并联TVS后,RST脚的干扰信号受到了明显衰减。同时还测出了并联前后出现重启动的最低放电电压分别为3.8kV和7.5kV。

    为进一步证明引起重启动的第二种原因存在的可能性,将单片机的12MHz换为6MHz,此时,RST脚上需出现不小于4μs的高电平才能使单片机可靠复位,而RST上的干扰信号的持续时间达不到4μs,不足以使单片机复位。实验测得,工作频率为6MHz时,加装TVS后单片机发生重启动的最低放电电压基本不变,得启动是由CPU内部的复位信号线上的干扰信号所致。

    ESD EMP对单片机系统的辐照效应实验表明,单片机系统在ESD EMP作用睛,会产生重启动、死机、通讯出错等多种故障现象。对单片机实施屏蔽和旁路保护等措施可有效提高其抗干扰能力。