瞬態(tài)電磁脈沖對(duì)單片機(jī)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及加固方法

靜電放電產(chǎn)生的電磁輻射可產(chǎn)生很強(qiáng)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(diǎn),作為近場(chǎng)危害源,對(duì)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(duì)電子系統(tǒng)的各種效應(yīng)及防護(hù)方法已成為靜電防護(hù)中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。筆者以單片機(jī)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行了ESD EMP對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了ESD EMP的防護(hù)和加固方法。

1 實(shí)驗(yàn)配置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)配置如圖1所示。它主要由臺(tái)式靜電放電抗擾性實(shí)驗(yàn)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(guó)際電工委員會(huì)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(hào)為T(mén)DS680B的數(shù)字存儲(chǔ)示波器,采樣速率為5Gs/s,帶寬為1GHz,用于測(cè)量干擾波形。

如果選用現(xiàn)成的單片機(jī)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,由于其沒(méi)有故障自動(dòng)診斷功能,只能觀察到很少的幾個(gè)故障現(xiàn)象,無(wú)法對(duì)ESD EMP的效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究。因此,本人設(shè)計(jì)了專門(mén)用于電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的故障自動(dòng)診斷功能,幾乎能夠自動(dòng)顯示單片機(jī)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(shí)驗(yàn)方法

ESD EMP對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的效應(yīng)實(shí)驗(yàn),采用輻照法。將被試單片機(jī)系統(tǒng)放置在水平耦合板上,用靜電放民模擬器對(duì)垂直耦合板進(jìn)行放電。靜電放電產(chǎn)生的輻射場(chǎng)直接作用于被試單片機(jī)系統(tǒng),單片機(jī)將自動(dòng)顯示其受ESD EMP干擾的情況。

2 ESD EMP對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行了ESD EMP對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。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(duì)垂直耦合板）。被試單片機(jī)與放電點(diǎn)的距離為10cm。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：溫度24.0℃,濕度45.2%。

用于電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功,順利地觀察到了單片機(jī)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(dòng);②死機(jī);③控制狀態(tài)改變;④A/D誤差增大;⑤串行通訊出錯(cuò);⑥定時(shí)器CTC工作失誤;⑦外部中斷誤觸發(fā);⑧外RAM存儲(chǔ)器內(nèi)容被改定,讀外RAM出錯(cuò),寫(xiě)外RAM出錯(cuò);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(cuò);⑩程序存儲(chǔ)器E2PROM內(nèi)容被改寫(xiě)。

表1給出了上述故障出現(xiàn)時(shí)ESD模擬器的最小放電電壓。

表1 單片機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)ESD模擬器的最小放電電壓

E2PROM內(nèi)容被改寫(xiě)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(shí)驗(yàn)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(xiě)的最小放電電壓。