USB產(chǎn)品的EFT抗干擾分析

中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)廣州天河區(qū)東莞莊路110號(hào)安全與電磁兼容中心EMC室、lbz@ceprei.biz

摘要：本文主要介紹USB產(chǎn)品的EFT抗干擾測(cè)試方法和原理，以及給出了一些相應(yīng)對(duì)策建議。

關(guān)鍵詞: USB  EFT測(cè)試 干擾抑制

    USB為Universal Serial Bus之簡(jiǎn)稱,中文名稱為:通用序列總線,其特性為隨插即用,USB接口適用各種操作系統(tǒng),不需安裝特殊驅(qū)動(dòng)程序,也不需繁復(fù)的設(shè)備安裝過(guò)程,透過(guò)USB的接口,您即可馬上存取您的各項(xiàng)資料或驅(qū)動(dòng)其它硬件,堪稱為目前最佳人性化的使用接口,目前USB接口備廣泛應(yīng)用一般計(jì)算機(jī)配備中例如鍵盤,鼠標(biāo),軟盤機(jī),數(shù)字相機(jī),CD/DVD-ROM,隨身碟與其它儲(chǔ)存設(shè)備等均可見(jiàn)其身影.USB接口從1.0版本發(fā)展到1.1版本,到現(xiàn)在的2.0版本.速度從原來(lái)的15Mbps發(fā)展到了480Mbps.將來(lái)的3.0版本更加會(huì)10倍于現(xiàn)有速度,因此USB接口將來(lái)發(fā)展必定速度更高,應(yīng)用更加廣泛.同時(shí),USB的EMC問(wèn)題也顯得越來(lái)越重要,頻率的越來(lái)越高使得產(chǎn)品要滿足EN 55022/GB9254,EN55024/GB17618越來(lái)越困難.下面將就USB接口的EFT抗干擾進(jìn)行探討.

一: 按照IEC61000-4-4/GB/T17626.4電快速瞬變脈沖群EFT抗擾度試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證由切換電感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)彈跳而引起的各種瞬變騷擾的抗干擾能力。這種試驗(yàn)是一種耦合到電源線路、控制線路、信號(hào)線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗(yàn)。快速脈沖群是由間隔為300ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成，每一個(gè)脈沖串持續(xù)15ms，脈沖串由很多單個(gè)脈沖的上升沿5ns，持續(xù)時(shí)間50ns，重復(fù)頻率5kHz的單個(gè)脈沖組成。實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)：短上升時(shí)間，重復(fù)率，低能量。

二：USB接口的EFT測(cè)試, USB接口同時(shí)帶有信號(hào)線和5Vdc供電線,因此我們?nèi)匀贿x擇用電容耦合夾的干擾注入方式。因?yàn)轳詈?去耦網(wǎng)絡(luò)中的去耦電容（0.1uF左右），以及去耦電感（＞100μH），會(huì)使工作信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重失真，特別是對(duì)于USB2.0等高速端口，影響更為嚴(yán)重。從而讓實(shí)驗(yàn)不能如實(shí)反映設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)。但如果是單獨(dú)的直流電源線（不含信號(hào)線），我們?nèi)耘f可以采用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)來(lái)施加干擾。

三:根據(jù)EFT測(cè)試原理我們可以知道EFT干擾是過(guò)耦合板與受試電纜之間的分布電容進(jìn)入受試電纜，而受試電纜所接收到的脈沖仍然是相對(duì)參考接地板來(lái)說(shuō)的。因此，通過(guò)耦合夾對(duì)受試電纜所施加的干擾是共模性質(zhì)的。電快速脈沖干擾導(dǎo)致設(shè)備失效的機(jī)理根據(jù)國(guó)外學(xué)者對(duì)脈沖群干擾造成設(shè)備失效的機(jī)理的研究，單個(gè)脈沖的能量較小，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成故障。但脈沖群干擾信號(hào)對(duì)設(shè)備線路結(jié)電容充電，當(dāng)上面的能量積累到一定程度之后，就可能引起線路（乃至系統(tǒng)）的誤動(dòng)作。因此，線路出錯(cuò)會(huì)有個(gè)時(shí)間過(guò)程，而且會(huì)有一定偶然性（不能保證間隔多少時(shí)間，線路一定出錯(cuò)，特別是當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到臨界點(diǎn)附近時(shí)）。而且很難判斷究竟是分別施加脈沖，還是一起施加脈沖，設(shè)備更容易失效。也很難下結(jié)論設(shè)備對(duì)于正向脈沖和負(fù)向脈沖哪個(gè)更為敏感。實(shí)踐表明，一臺(tái)設(shè)備往往是某一條電纜線，在某一種試驗(yàn)電壓，對(duì)某個(gè)極性特別敏感。實(shí)驗(yàn)顯示，信號(hào)線要比電源線對(duì)電快速脈沖干擾敏感得多。對(duì)于USB接口產(chǎn)品來(lái)說(shuō),由于USB起始幀間隔時(shí)間為1ms,與EFT干擾信號(hào)頻率成諧波關(guān)系.15個(gè)幀很可能在一群15ms的EFT干擾脈沖群中丟失.造成USB連接的丟失.

四:根據(jù)EFT干擾的性質(zhì),對(duì)于EFT抗擾的抑制,我們可以知道加入共模濾波器可以很大程度上解決EFT的問(wèn)題.但是由于共模濾波器一般用于低速信號(hào)的電子產(chǎn)品,不過(guò)可能考慮到USB的拓?fù)浜托帕罘绞?USB開(kāi)發(fā)組織并不推薦.除此之外,解決EFT抗擾的方法還可以考慮,1:用TVS進(jìn)行保護(hù),TVS無(wú)論是正還是負(fù)干擾,都會(huì)通過(guò)”橋”的一個(gè)控制二極管反應(yīng)在輸出端由TVS進(jìn)行嵌位,而連接”數(shù)據(jù)線”的EFT防護(hù)是由一個(gè)控制二極管和TVS串聯(lián)組成,它的響應(yīng)速度極快.極間電容很小,所以是理想的保護(hù)模式。市場(chǎng)上也有這類型成熟的集成產(chǎn)品可供使用.2:對(duì)于由于EFT干擾使得產(chǎn)品丟失連接的,還可以考慮通過(guò)在軟件上加入看門狗程序來(lái)完成USB的軟件插拔過(guò)程,使得產(chǎn)品在丟失連接后能自動(dòng)重新連接上.3:其實(shí)大部分EFT問(wèn)題都是可以通過(guò)PCB布線解決的. EFT干擾電流是通過(guò)PCB的地層或印制線與參考地之間的寄生電容流動(dòng)的,其中主要電流會(huì)在地層上,因此地層阻抗非常重要,你要處理好地層完整性 ,還有濾過(guò)波的信號(hào)與沒(méi)有濾過(guò)波的信號(hào)之間要防止串?dāng)_. 如之間插入屏蔽地線等.使用性能較好的USB連接線,外殼接地等等都有助于EFT的抗擾性能,總之,良好的排版可以避免很多EFT的問(wèn)題.相應(yīng)的布線規(guī)則在USB的官方開(kāi)發(fā)論壇也有介紹.

深藍(lán)宇從事工控研發(fā)十多年，對(duì)產(chǎn)品的每一個(gè)功能都嚴(yán)格要求，多次測(cè)試，讓產(chǎn)品穩(wěn)定性更強(qiáng)。以下就一款適用于多網(wǎng)口、適用于3D鞋模掃描、缺陷檢測(cè)等行業(yè)。以下具體介紹應(yīng)用于缺陷檢測(cè)，3D掃描行業(yè)的嵌入式工控機(jī)PCX-9120：

1.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，以及設(shè)備生產(chǎn)廠家要求的提高，對(duì)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的功能、性能以及穩(wěn)定性等方面，有更多的要求和期望值。以往的傳統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在結(jié)構(gòu)、散熱、性能、功能等方面，不一定能夠滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需求。針對(duì)這類的需求，藍(lán)宇通過(guò)大量的市場(chǎng)調(diào)查和分析，專門研發(fā)和推出PCX-9120，以滿足客戶的特定需求。

   PCX-9120的應(yīng)用定位，主要是針對(duì)安裝空間有限、高運(yùn)算性能、無(wú)風(fēng)扇被動(dòng)散熱、防塵防震防靜電、多網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展、長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的需求而設(shè)計(jì)，比如機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用、ethercat現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)應(yīng)用、高性能嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用、車載智能服務(wù)管理應(yīng)用等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 產(chǎn)品特性

• DC 12V/24V供電
• CPU配置高，兼容性強(qiáng)，可配INTEL第六代、第七代 FCLGA1151 系列CPU
• 內(nèi)存采用DDR4雙通道設(shè)計(jì)，最高可支持64G
• 支持雙硬盤儲(chǔ)存
• 支持HDMI+VGA雙顯模式，分辨率高達(dá)4096*2304
• 9個(gè)采用Intel I211網(wǎng)絡(luò)芯片的10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口
• 內(nèi)置1個(gè)MINIPCIE接口，可接Wifi或4G模塊。Wifi模塊可以支持半高、全高兩種模式。
• 采用無(wú)風(fēng)扇被動(dòng)式散熱，在大功率的前提下仍然具備出色的散熱效果
• 超緊湊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無(wú)連線設(shè)計(jì)
• 提供最大可能性的防塵防振性能
• 整合方便，維護(hù)簡(jiǎn)單

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參考文獻(xiàn)：

1：GB/7 17626.4-1998 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)