瞬態(tài)電磁脈沖對單片機的輻照效應(yīng)實驗及加固方法

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)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準裝置、靜電放電模擬器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

根據(jù)國際電工委員會標準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：①重啟動;②死機;③控制狀態(tài)改變;④A/D誤差增大;⑤串行通訊出錯;⑥定時器CTC工作失誤;⑦外部中斷誤觸發(fā);⑧外RAM存儲器內(nèi)容被改定,讀外RAM出錯,寫外RAM出錯;⑨工作寄存器R0～R7,特殊功能寄存器SFR和片內(nèi)RAM的20～7F單元內(nèi)容出錯;⑩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

E2PROM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,嚴格地講,2.5kV還不能作為E2PROM內(nèi)容被改寫的最小放電電壓。