淺談USB產(chǎn)品的EFT抗干擾分析

USB為Universal Serial Bus之簡(jiǎn)稱(chēng),中文名稱(chēng)為:通用序列總線(xiàn),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(chēng)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(pán),鼠標(biāo),軟盤(pán)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(mǎn)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(xiàn)路、控制線(xiàn)路、信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)和5Vdc供電線(xiàn),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(xiàn)（不含信號(hào)線(xiàn)），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(xiàn)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(xiàn)路（乃至系統(tǒng)）的誤動(dòng)作。因此，線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)要比電源線(xiàn)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(xiàn)”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(lèi)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(mén)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(xiàn)解決的. EFT干擾電流是通過(guò)PCB的地層或印制線(xiàn)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(xiàn)等.使用性能較好的USB連接線(xiàn),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(xiàn)規(guī)則在USB的官方開(kāi)發(fā)論壇也有介紹.