EMC基础知识-EFT（上）
本文章是笔者整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误，欢迎大家进行指正。
一、EFT是什么
当电感负载（如续电器、开关接触器或重型电机）处于断电状态时，它将在电源分配系统上生成时间短但频率高的瞬态突变。当工具供电器插入或拔出功率因数校正设备时，也会生产这种瞬态突变。导致电源线路瞬变的常见原因是电火花，只要插入交流电源线，并关掉设备，或者打开或关闭电路断路器，将会发生电火花。 图 1 显示的是如何生成瞬变噪声，并通过电源线路将其耦合到终端设备。
图1. 生成瞬变噪声并将其耦合到终端设备
IEC 61000-4-4 规范定义了测试电压波形，这种波形用于模仿通过在交流电源线路上切换电感负载所造成的瞬变。该规范还定义了抗扰度对重复快瞬变的要求，以及系统所需的测试方法。制造商会使用 IEC 61000-4-4 标准所定义的 EFT 波形，以便测试经过快瞬变后设备的性能。该测试主要涉及到 EFT 脉冲被注入到设备的交流电源线路内。 EFT 波形还可以被注入到信号线路、控制线路以及接地连接内，以便模仿这些线路上瞬变噪声的耦合。脉冲波形具有高幅度（0.5 ~ 4 kV）、上升时间短、高重复率和低能量等特性。 IEC 61000-4-4还根据脉冲波形的幅度定义了测试级别。 图 2 显示的是 IEC 61000-4-4 规范中所定义的波形形状。它包含在一分钟的时间内每隔 300 毫秒重复一次的 75 个脉冲突发。测试期间，正极性和负极性 EFT 脉冲均被注入。这样，测试目的是为了显示电气和电子设备经过这种快速瞬变时的抗扰度。实际上，存在多个国际标准，它们指定了特定类型的设备的瞬变抗扰度性能的要求。例如，欧洲联盟的 EN 55024 介绍了信息技术设备的测试要求和性能标准。 与之类似， IEC 61547 则说明了照明设备的测试要求和性能标准。全部这些标准的要求和测试方法都来自于 IEC 61000-4-4。请咨询您当地的标准制定机构，以获得所设计设备的相关抗扰度性能标准。
图 2. EFT 测试脉冲波形
图 2 显示的是连接至一个 50 Ω 负载的单个脉冲（如 50IEC 61000-4-4 规范中定义）的波形形状。每个单独脉冲都是一个双指数波形，其特性表现在上升时间为 5 ns 和总持续时间为 50 ns。 IEC 61000-4-4 定义了 EFT 抗扰度的各种测试级别。峰值电压随着测试级别而不断增加。 表 1 列出了每个测试级别中脉冲的峰值电压 V（如图 2 所示）。
表 1. IEC 61000-4-4 测试级别
注意 1：重复率的典型值为 5 kHz；但在现实生活中， 100 kHz 更接近实际值。
注意 2：制造商决定了需要测试的终端。
“X” 是一个特殊级别。该级别必须在设备规范中被指定。
它有助于深入了解 EFT 突发的频谱。 图 3 显示的是在 5 kHz 时脉冲突发的频谱。请注意，突发频率（5 kHz）可以是频谱中最具优势的幅度之一。该问题应多加考虑。通常，过滤 EFT 脉冲相当容易，然而当提供了较低频率（ 5 或 100kHz）的突发时，进行过滤会变得比较难。如果每 300 ms 低频率突发本身又被重复一次，这样将提供另一个频率为3.33 Hz 的组件。
图 3. EFT – 5 kHz 突发：频谱
二、EFT故障模型
瞬变引发的噪声将通过交流电源线、直流电源和信号/控制线路导电被耦合到终端设备。在该设备中，如果没有采取适当的过滤方式，则噪声会传输到不同的 PCB 上，如图 4 所示。在设备中可以存在直接或间接耦合的噪声。直接耦合指的是瞬变作为噪声时通过电源、地面、信号或控制线路流过易受影响的电路。间接耦合是通过一个与电磁辐射相邻的导电界面发生的。
图 4. 差模和共模噪声（由设备中正极性瞬变引发）的可用传输路径
如图 4 所示，瞬变引发的噪声可能是共模噪声，也可能是差模噪声。共模噪声在两个导体中存在或被其“共用” 。通常，共模噪声存在于各导体的“同相位” 中。差模噪声仅存在于一个导体中，或存在于两个导体的反相位中。嵌入式控制器的设计目的是生成信号（如高速串行通信时钟，该信号的时序规范相当于瞬变引发的噪声的实现规范），并在这些信号上进行操作。因此，瞬变引起的噪声会干扰这些信号。在广泛的分类中，以下模块、引脚和信号受瞬变引发的噪声的影响最大：
▪ 电源与接地信号
▪ 复位电路
▪ 时钟/振荡器信号
▪ 边沿敏感的触发器
▪ 高频率数字信号
▪ 模拟信号
▪ 通信模块，如 I2C、 SPI、 UART
▪ CPU
▪ 闪存/RAM
如果瞬变引发的噪声影响到这些模块中的一个或多个，则会发生以下系统故障类型：
▪ 复位
▪ 闩锁
▪ 模拟和数字信号的损坏
▪ 通信故障
▪ 存储器破坏
1. 复位
由于瞬变引发的噪声，器件可以进行以下某种复位：
▪ 外部复位
▪ 上电复位
▪ 基于低压检测（LVD）的复位
▪ 欠压复位
▪ 看门狗复位
▪ 软件复位
复位引脚上瞬变引发的噪声可以触发一个外部复位。因此，根据复位引脚为高电平有效或低电平有效，一个外部复位可以因供电电压降低或接地参考电压发生变化而发生。某些控制器还具有备用的复位引脚。在这种情况下，器件还可以因备用复位引脚上的噪声而被复位。
图 5．供电线路上的瞬变噪声波形（在一个交流-直流转换器的输出上测量得出）
图 5 显示的是 EFT 测试波形被注入到转换器时供电线路上的瞬变噪声波形（在一个交流-直流转换器的输出上测量得出）。正如您所看到的，峰值电压为~350 V。当交流-直流转换器的输出端存在负载（如控制器电路）时，噪声的特性可能会因滤波器以及控制器供电引脚上的去耦网络不同而不同。上电、 LVD 和欠压等复位类型将在以下各种情况下发生：
▪ 瞬变引发的噪声下拉了供电电压
▪ 瞬变引发的噪声改变了接地参考电压
▪ 瞬变引发的噪声触发了 I/O 上 ESD 钳制电路，使器件能够观察到有效供电电压降低，从而触发欠压复位
如果有效供电电压低于器件工作电压范围的最小值，则会发生上电复位。如果在控制器使能了欠压复位和基于 LVD 的复位，则当有效供电电压低于触发电压并能够在超过最小时间内保持该电压值时，会发生这些事件。如果固件无法及时清除看门狗定时器中的内容，那么会发生一个看门狗复位。这是因为一个故障子系统（如 CPU 或闪存）通常会引起意外的固件操作。如果检测出系统中的异常行为（如：由于信号完整性的损坏，主设备收到错误数据）时，主设备需要复位从设备，那么将发生一个软件复位。如果代码执行不正常，并且输入了一个异常代码，也会发生软件复位。这种不正常的代码执行的原因可能是 CPU、时钟、闪存或 RAM 中的损坏状态。
2. 闩锁
闩锁指的是瞬变引发的噪声没有造成实际损害的系统故障类型。它会使能电路上的所有组件，从而使电源能够破坏器件，或者电路无法运行（除非执行一个电源周期复位）。接地反弹或接地参考电压的变化（由瞬变引发的噪声导致）可以使CMOS 电路进入闩锁状态。具体地讲，这是在 CMOS 电路的电源轨之间创建一个低阻抗路径的过程，从而触发一个承载寄生电流的路径，该触发操作会破坏器件的正常运行。进行一个电源周期复位可纠正这种情况。由于过电流，闩锁会引起器件的破坏。
3. 模拟和数字信号的损坏
与低带宽数字电路或慢速模拟电路相比，快速数字电路更容易发生基于 EFT 的故障。边沿敏感的输入更易受瞬变引发的噪声的影响。即使已经使用了低通滤波器，一个足够大的瞬变能够注入的电能仍足以破坏器件的操作。瞬变还可以作为毛刺传输，如图 6 所示。 在输入是高速度数字输（如时钟和数据输入）的情况下，这些毛刺会被误认为是有效的数据脉冲。
图 6. I/O 信号上的毛刺（由瞬变导致）
4. 通信故障
嵌入式应用中的常用通信协议分别是 I2C、 SPI 和 UART。通信故障可以由以下原因引发：
▪ 控制器中的通信模块故障
瞬变引发的噪声（通过电源和地面传输到内部电路）可能会使该模块受到损害或应力。
▪ 时钟线路上的时钟延展或毛刺
时钟信号上的毛刺可能会破坏操作。另一方面，如果器件无法收到其他器件的 ACK 信号，时钟可能被延展。这可能是由内部模块的故障或主设备的故障（需要发送 ACK）引起。当控制器中的状态机发生故障时，时钟也可能被延展。
▪ 信号完整性破坏
由于电源和地面上的高噪声被传输到被引用的通信线路上，信号完整性可能受到破坏，因此违背了协议规范。
▪ 收发器的故障
在 UART 通信的另一端， I2C、 SPI 主设备/从设备或发送器/接收器易受瞬变噪声的影响。这些器件的复位、损害或故障会破坏该通信。
▪ 数据查看系统（如电脑）和控制器（如 USB 至 UART 桥接器、 RS232、 UART 电平转换器和串行线缆）间的接口会发生故障。
本质上， UART 比 I2C 或 SPI 协议更稳定，因为在 UART 协议中，信号采样将在位时间窗口的中心进行，而 I2C 或 SPI中的信号采样则在时钟边沿进行的。用于 UART 通信时，由于更高的电压电平，电平转换器提高了信号容限，从而提高了 SNR。
5. 存储器破坏
瞬变引发的噪声会破坏存储器（如闪存或 RAM），因为这些存储器会对系统时钟或闪存写入电压造成干扰。存储器被破坏时，由于一个闪存校验和错误，系统可能会无法被启动，或者闪存或 RAM 中的损坏数据或代码可以使系统无法正常操作。闪存损坏可能是永久性的，或者需要进行一个电源周期复位或重新编程才能恢复到正常状态。另一方面，由于RAM 的损坏，要想恢复正常操作，可能需要进行一个电源周期复位或任意其他复位。
子系统故障可能是永久性的，也可能是暂时的。如果损害是永久性的，那么很容易检测出来。如果损害是暂时的（如闩锁或存储器损坏），那么对设备执行电源周期复位能够恢复其正常操作状态。经过 EFT 测试时，子系统可能被部分损害，但仍是功能齐全的。受到电源、高温度或不正常工作条件的影响时，被损害的组件可能会发生永久性的故障。 这种潜在影响很难被发现和解决。