USB產品的EFT抗干擾分析

中國賽寶實驗室、中國廣州天河區東莞莊路110號安全與電磁兼容中心EMC室、lbz@ceprei.biz

摘要：本文主要介紹USB產品的EFT抗干擾測試方法和原理，以及給出了一些相應對策建議。

關鍵詞: USB  EFT測試 干擾抑制

    USB為Universal Serial Bus之簡稱,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,不需安裝特殊驅動程序,也不需繁復的設備安裝過程,透過USB的接口,您即可馬上存取您的各項資料或驅動其它硬件,堪稱為目前最佳人性化的使用接口,目前USB接口備廣泛應用一般計算機配備中例如鍵盤,鼠標,軟盤機,數字相機,CD/DVD-ROM,隨身碟與其它儲存設備等均可見其身影.USB接口從1.0版本發展到1.1版本,到現在的2.0版本.速度從原來的15Mbps發展到了480Mbps.將來的3.0版本更加會10倍于現有速度,因此USB接口將來發展必定速度更高,應用更加廣泛.同時,USB的EMC問題也顯得越來越重要,頻率的越來越高使得產品要滿足EN 55022/GB9254,EN55024/GB17618越來越困難.下面將就USB接口的EFT抗干擾進行探討.

一: 按照IEC61000-4-4/GB/T17626.4電快速瞬變脈沖群EFT抗擾度試驗，目的是驗證由切換電感性負載、繼電器觸點彈跳而引起的各種瞬變騷擾的抗干擾能力。這種試驗是一種耦合到電源線路、控制線路、信號線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。快速脈沖群是由間隔為300ms的連續脈沖串構成，每一個脈沖串持續15ms，脈沖串由很多單個脈沖的上升沿5ns，持續時間50ns，重復頻率5kHz的單個脈沖組成。實驗要點：短上升時間，重復率，低能量。

二：USB接口的EFT測試, USB接口同時帶有信號線和5Vdc供電線,因此我們仍然選擇用電容耦合夾的干擾注入方式。因為耦合/去耦網絡中的去耦電容（0.1uF左右），以及去耦電感（＞100μH），會使工作信號發生嚴重失真，特別是對于USB2.0等高速端口，影響更為嚴重。從而讓實驗不能如實反映設備的真實狀態。但如果是單獨的直流電源線（不含信號線），我們仍舊可以采用耦合/去耦網絡來施加干擾。

三:根據EFT測試原理我們可以知道EFT干擾是過耦合板與受試電纜之間的分布電容進入受試電纜，而受試電纜所接收到的脈沖仍然是相對參考接地板來說的。因此，通過耦合夾對受試電纜所施加的干擾是共模性質的。電快速脈沖干擾導致設備失效的機理根據國外學者對脈沖群干擾造成設備失效的機理的研究，單個脈沖的能量較小，不會對設備造成故障。但脈沖群干擾信號對設備線路結電容充電，當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）的誤動作。因此，線路出錯會有個時間過程，而且會有一定偶然性（不能保證間隔多少時間，線路一定出錯，特別是當試驗電壓達到臨界點附近時）。而且很難判斷究竟是分別施加脈沖，還是一起施加脈沖，設備更容易失效。也很難下結論設備對于正向脈沖和負向脈沖哪個更為敏感。實踐表明，一臺設備往往是某一條電纜線，在某一種試驗電壓，對某個極性特別敏感。實驗顯示，信號線要比電源線對電快速脈沖干擾敏感得多。對于USB接口產品來說,由于USB起始幀間隔時間為1ms,與EFT干擾信號頻率成諧波關系.15個幀很可能在一群15ms的EFT干擾脈沖群中丟失.造成USB連接的丟失.

四:根據EFT干擾的性質,對于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的問題.但是由于共模濾波器一般用于低速信號的電子產品,不過可能考慮到USB的拓撲和信令方式,USB開發組織并不推薦.除此之外,解決EFT抗擾的方法還可以考慮,1:用TVS進行保護,TVS無論是正還是負干擾,都會通過”橋”的一個控制二極管反應在輸出端由TVS進行嵌位,而連接”數據線”的EFT防護是由一個控制二極管和TVS串聯組成,它的響應速度極快.極間電容很小,所以是理想的保護模式。市場上也有這類型成熟的集成產品可供使用.2:對于由于EFT干擾使得產品丟失連接的,還可以考慮通過在軟件上加入看門狗程序來完成USB的軟件插拔過程,使得產品在丟失連接后能自動重新連接上.3:其實大部分EFT問題都是可以通過PCB布線解決的. EFT干擾電流是通過PCB的地層或印制線與參考地之間的寄生電容流動的,其中主要電流會在地層上,因此地層阻抗非常重要,你要處理好地層完整性 ,還有濾過波的信號與沒有濾過波的信號之間要防止串擾. 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的問題.相應的布線規則在USB的官方開發論壇也有介紹.

深藍宇從事工控研發十多年，對產品的每一個功能都嚴格要求，多次測試，讓產品穩定性更強。以下就一款適用于多網口、適用于3D鞋模掃描、缺陷檢測等行業。以下具體介紹應用于缺陷檢測，3D掃描行業的嵌入式工控機PCX-9120：

1.1 產品簡介

隨著社會技術的發展，以及設備生產廠家要求的提高，對于工業控制計算機的功能、性能以及穩定性等方面，有更多的要求和期望值。以往的傳統工業控制計算機，在結構、散熱、性能、功能等方面，不一定能夠滿足現代化大生產的需求。針對這類的需求，藍宇通過大量的市場調查和分析，專門研發和推出PCX-9120，以滿足客戶的特定需求。

   PCX-9120的應用定位，主要是針對安裝空間有限、高運算性能、無風扇被動散熱、防塵防震防靜電、多網絡擴展、長期穩定工作的需求而設計，比如機器視覺應用、ethercat現場總線控制系統應用、高性能嵌入式網關應用、車載智能服務管理應用等眾多應用領域。

1.2 產品特性

• DC 12V/24V供電
• CPU配置高，兼容性強，可配INTEL第六代、第七代 FCLGA1151 系列CPU
• 內存采用DDR4雙通道設計，最高可支持64G
• 支持雙硬盤儲存
• 支持HDMI+VGA雙顯模式，分辨率高達4096*2304
• 9個采用Intel I211網絡芯片的10/100/1000M自適應網絡接口
• 內置1個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。
• 采用無風扇被動式散熱，在大功率的前提下仍然具備出色的散熱效果
• 超緊湊結構，內部無連線設計
• 提供最大可能性的防塵防振性能
• 整合方便，維護簡單

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參考文獻：

1：GB/7 17626.4-1998 電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗