杜佐兵
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产品可靠性设计-辐射敏感度的测试与整改

一个重要的测试试验是确定外部的射频场是否会对产品产生影响是辐射抗扰度测试。对于商用产品测试标准为IEC 61000-4-3。试验的频率范围通常为80~1000MHz。具体数值取决于产品所处的环境或其实际使用的环境。施加的场强电平范围为3~20V/m。该测试是在半电波暗室内进行的,使用宽带天线在受试产品的方向上辐射射频场强。使用半波暗室的目的是避免对其它通信业务的干扰。一些军用、车辆或航空与航天标准,要求施加的场强为200~1000V/m,测试的频率上限到18GHz或更高。

对于商用产品的测试,射频信号通常为1KHz的正弦AM调制,调制深度为80%;对于军用和航空与航天试验,通常使用调制频率为1KHz的方波或持续时间很短的脉冲调制。这种调制设计用来对音频整流问题进行测试。

比如,如果射频信号通过半导体或在音频或其他模拟电路中进行整流,那么低频调制可能会引起偏压混乱或会破坏敏感的模拟电路。

测试和模拟如下图所示,也因此根据实验通常也有屏蔽滤波接地的改善措施。

辐射敏感度问题的检查和诊断

在大多数情况下,辐射发射是辐射敏感度的相反的测试过程。原因是产品上向外产生辐射的发射天线也是接收天线。

比如,电缆及外壳上的缝隙也能作为接收天线,能把射频场传输给产品,并且能潜在地引起干扰或者使系统重启。

(1)电缆的屏蔽层与外壳或屏蔽壳体搭接的不好。

(2)使用“猪尾巴”端接电缆的屏蔽层。

(3)屏蔽面板之间的外壳或壳体搭接得不好。

(4)视频显示LCD/LED具有大的孔缝。

(5)I/O连接线或电源电缆的滤波不好。

(6)关键电路处的射频旁路不够充分,比如CPU/MCU的复位线或模拟输入或传感器输入。

典型的失效模式

辐射敏感度试验所用的能量能产生很多问题。可能会受到影响的一些方面总结如下:

(1)系统重启

(2)模拟或数字电路出现故障

(3)显示屏上出现错误的数据

(4)数据丢失

(5)数据传输停止、变慢或中断

(6)高误码率

(7)产品的状态发生改变

(8)测量中引入噪声

(9)测量系统的灵敏度失灵

故障诊断与整改

在大多数情况下,辐射敏感度的故障问题与辐射发射的问题相似。首先,应确定敏感度是否可能是由电缆作为天线或是由外壳或壳体上的泄露产生的。

(1)盘绕线缆。用导线把电缆捆起来。由于电缆可能会成为拾取能量的天线,如果其物理尺寸尽量小,则能够有效地减少所接收的能量。如果处理电缆有效的话,那么这个电缆就是拾取能量的天线。

(2)用铝箔包裹整个产品,确保壳体上的缝隙被覆盖严实,允许电缆进出壳体。如果产品仍敏感,那么极有可能是电缆作为天线。如果电缆具有屏蔽层,尽可能用铝箔包裹电缆的屏蔽层,使用导线带将铝箔与电缆的屏蔽层进行搭接。

(3)通常应检查电缆屏蔽层与外壳或壳体是否进行了好的搭接。在理想情况下,电缆的屏蔽层应与屏蔽壳体进行3600的搭接。尽可能在所有电缆上加装铁氧体磁环,并且在所关注的频率范围内至少提供几百Ω的阻抗。然后,每次再移走其中的一个。直到找到故障的接收电缆。这是最快最有效的方法。

(4)如果屏蔽层使用软辫线与外壳进行端接,应使用铝箔围绕连接器把软辫线与其包裹起来;使用导线带把铝箔与屏蔽层进行搭接,使用导线带或铜带把铝箔与连接器进行搭接。

(5)壳体或外壳的所有部分应彼此进行很好的搭接。使用近场探头检查缝隙、孔径和间隙的发射泄露。

(6)确保所有的缝隙时干净的,且在缝隙上具有低阻抗的搭接。必须去除所有油漆或非导电的涂层。应尽可能地确保在缝隙的长度上电接触是连续的。

(7)当使用铜带和铝箔覆盖缝隙或开口时,应确保铜带和铝箔与外壳金属的直接接触,而不是被放置在油漆或非导电的涂层上。

在理想情况下,对于所有的I/O端口及直流电源或交流电源都应进行适当的滤波。对于I/O端口比如USB或以太网,通常应使用为这些端口设计共模扼流圈或滤波器。否则,I/O电缆或电源线电缆能将射频能量完全地传输进电路。

在诊断故障的过程中,通过使用铝箔,就可以确定是电缆的问题还是壳体的问题。

如果敏感频率在200MHz、300MHz以下,通常电缆可能作为天线,把噪声耦合给设备。一旦怀疑有敏感电缆,可使用如下方法:

A.逐一移除电缆以确定是哪条电缆产生了问题,如果不能移除可以采用加磁环的方法进行判断。

B.在电缆上尽可能接近产品连接器的地方加装铁氧体扼流圈。

C.在任何可疑的输入或输出接口上加装简单的低通RC滤波器。串联电阻为47~100Ω,输入和信号或电源返回路径之间的电容推荐值为1~10nF。

如果使用了上述的这些方法,电缆不存在问题,那么可能就是外壳或壳体的泄露,可检查如下的位置:

确保所有的壳体紧固件是紧的。使用铜带封住可疑的缝隙。确保铜带与外壳金属是多处连接的。

小信号电路的可靠性问题

具有灵敏模拟电路前端或其他低电平模拟电路的设备对外部的射频场尤为敏感。如果模拟信号为低频小于1MHz,则应尝试着在输入和信号返回路径之间增加1~10nF的电容器。对于运放器件,可在正输入端和负输入端之间连接100pF的电容器件。

尤其要检查与任何系统或CPU复位线相关的电路。这些线通常应使用1~10nF的电容器件对噪声源进行滤波,并将其旁路到信号返回路径。有时还需要在并联电容前端串联100Ω~1KΩ的电阻作为低通滤波器的一部分。

辐射敏感度问题的 典型解决方法

(1)在可疑的电缆上加装铁氧体是最快的办法,通常也是最先想到的办法。这时可以在所有的电缆上先都加上铁氧体磁环,直到能确认是哪条或哪组电缆出现了问题。一定要确保这些铁氧体的位置放置尽可能地靠近产品的I/O连接器或电源连接器。

(2)确保外壳或壳体没有产生泄露。可能需要增加紧固件的数量。壳体也可能需要附加的射频衬垫。

(3)可能需要使用低通滤波器。好的设计是在信号线上串联47Ω~100Ω的小电阻,同时在信号线与返回线或电源返回线之间使用1~10nF的电容。如果有可能,滤波器一定要使用最短的线缆。如果滤波器直接设计在PCB板上,高频时推荐使用贴装的器件。

(4)可能需要在对外部射频场敏感的内部电路节点,比如CUP的复位线上,跨接1~10nF的电容。同时要注意所加的电容不会影响信号质量。

(5)对于I/O线,使用贴片的数据线铁氧体共模扼流圈是最好的解决方法。

(6)确保电缆的屏蔽层正确的端接,尤其是对于200MHz以下的问题。为了快速地解决问题,先露出电缆的屏蔽层,同时确保连接器是导电的或连接器的四周与外壳相连接。然后用一块大的铝箔,完整的包裹电缆,如果可能的话,可以多包裹几层。使用导线带把铝箔与屏蔽层紧紧地搭接。连接器或外壳也采用同样的方法处理。

(7)如果出现问题的频率非常高,比如500MHz及以上,那么这可能是由外壳引起的。如果产品较小,可使用铝箔包裹整个外壳。如果产品较大,确保壳体之间的连接处是干净的并且要清除掉连接处的油漆或涂层。这时可以用铜箔覆盖缝隙。

(8)沿着产品外壳布置电缆,在输入端口附近布置的任何导线一定要远离这些端口。这种问题通常是由能量的交叉耦合产生的。把敏感电路与发射能量的导线隔开,是一种经济的解决方法。

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