瞬態電磁脈沖對單片機的輻照效應實驗及加固方法

靜電放電產生的電磁輻射可產生很強的瞬態電磁脈沖（ESD EMP）。隨著電子技術的高速發展,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,對各種數字化設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對電子系統的各種效應及防護方法已成為靜電防護中的一個熱點問題。筆者以單片機系統為實驗對象,進行了ESD EMP對單片機系統的輻照效應實驗,并在實驗的基礎上研究了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據采集系統組成。

根據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,用于產生模擬ESD EMP。數據采集系統選用型號為TDS680B的數字存儲示波器,采樣速率為5Gs/s,帶寬為1GHz,用于測量干擾波形。

如果選用現成的單片機系統作為實驗對象,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象,無法對ESD EMP的效應機理進行深入研究。因此,本人設計了專門用于電磁脈沖效應實驗的單片機系統。該系統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在電磁脈沖作用下可能出現的所有故障現象。

1.2 實驗方法

ESD EMP對單片機系統的效應實驗,采用輻照法。將被試單片機系統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。靜電放電產生的輻射場直接作用于被試單片機系統,單片機將自動顯示其受ESD EMP干擾的情況。

2 ESD EMP對單片機系統輻照效應實驗

2.1 實驗結果

利用上述實驗裝置,進行了ESD EMP對單片機系統的輻照效應實驗。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。實驗環境為：溫度24.0℃,濕度45.2%。

用于電磁脈沖效應實驗的單片機系統的開發成功,順利地觀察到了單片機系統在ESD EMP作用下出現的十大故障現象。它們分別是：①重啟動;②死機;③控制狀態改變;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;⑧外RAM存儲器內容被改定,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RAM的20～7F單元內容出錯;⑩程序存儲器E2PROM內容被改寫。

表1給出了上述故障出現時ESD模擬器的最小放電電壓。

表1 單片機出現故障時ESD模擬器的最小放電電壓

E2PROM內容被改寫的情況出現的概率很小,到目前為止共觀察到7次,其中放電電壓最小的一次2.5kV。實驗環境為：溫度31℃,濕度62%。由于出現的次數較少,嚴格地講,2.5kV還不能作為E2PROM內容被改寫的最小放電電壓。