摘 要： 簡要介紹了家電LCD顯示系統(tǒng)的EFT測試標(biāo)準(zhǔn)與防護(hù),以及從硬件和軟件方面提高EFT防護(hù)等級可以采取的對策。
關(guān)鍵詞： LCD顯示; 電快速瞬變脈沖群測試; 干擾防護(hù)
環(huán)境中存在著一些短暫的高能脈沖干擾，這些干擾對電子設(shè)備的危害很大，一般稱這種干擾為瞬態(tài)干擾。產(chǎn)生瞬態(tài)干擾的原因主要有：雷電、靜電放電、感性負(fù)載通斷、電磁脈沖等。電子設(shè)備必須能夠在這些環(huán)境中正常工作。由于電感性負(fù)載（如繼電器、接觸器等）在斷開時(shí)開關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開處會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)騷擾。當(dāng)電感性負(fù)載多次重復(fù)開關(guān),則脈沖群又會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隙多次重復(fù)出現(xiàn)，形成一連串的脈沖，可以在電路的輸入端產(chǎn)生累計(jì)效應(yīng)，使干擾電平的幅度最終超過電路的噪聲門限，便會(huì)引起線路乃至設(shè)備的誤動(dòng)作。
很多的家電人機(jī)界面采用LCD顯示系統(tǒng)，其組成包括穩(wěn)壓電源、主控MCU和LCD驅(qū)動(dòng)接口。LCD驅(qū)動(dòng)器是一種被動(dòng)器件，它接收主控MCU的指令，存儲(chǔ)MCU傳送的顯示數(shù)據(jù)，控制顯示狀態(tài)。如果不能采取有效措施防護(hù)瞬態(tài)干擾，很可能導(dǎo)致工作中顯示混亂甚至死機(jī)。所以在項(xiàng)目開發(fā)測試階段，很多廠家要求必須通過不同等級的脈沖群抗擾度試驗(yàn)，而進(jìn)行LCD顯示系統(tǒng)防護(hù)也是重要的考慮因素。
1 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)EFT介紹
GB/T17626.4 (IEC 61000-4-4)《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》[1]這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了EFT試驗(yàn)方法。重復(fù)快速瞬變試驗(yàn)是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、信號和控制端口的試驗(yàn)。電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證由閃電、接地故障或切換電感性負(fù)載而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)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、信號線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗(yàn)。此波形不是感性負(fù)載斷開的實(shí)際波形(感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的干擾幅度是遞增的),而實(shí)驗(yàn)所采用的波形使實(shí)驗(yàn)等級更為嚴(yán)酷。電快速脈沖群由間隔為300 ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成,如圖1所示,每一個(gè)脈沖串持續(xù)15 ms，并由數(shù)個(gè)無極性的單個(gè)脈沖波形組成，單個(gè)脈沖的上升沿5 ns，持續(xù)時(shí)間50 ns，重復(fù)頻率5 kHz,這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。脈沖群干擾實(shí)際上是加在電源線與參考大地之間，因此加在電源線上的干擾是共模干擾。單個(gè)脈沖的能量較小，不會(huì)對設(shè)備造成故障。但脈沖群干擾信號對設(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，就可能引起線路的誤動(dòng)作。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試驗(yàn)等級為1～4級，電壓峰值分別為在供電電源端口：0.5 kV、1 kV、2 kV、4 kV，在I/O、數(shù)據(jù)和控制端口：0.25 kV、0.5 kV、1 kV、2 kV。
對不同試驗(yàn)結(jié)果，可以根據(jù)該產(chǎn)品的工作條件和功能規(guī)范按以下內(nèi)容分類：
(1) 技術(shù)要求范圍內(nèi)的性能正常；
(2) 功能暫時(shí)降低或喪失，但可自行恢復(fù)性能；
(3) 功能暫時(shí)降低或喪失，要求操作人員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位；
(4) 由于設(shè)備（元件）或軟件的損壞或數(shù)據(jù)的喪失而造成不可恢復(fù)的功能降低或喪失。
符合(1)類的產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果判合格。這意味著產(chǎn)品在整個(gè)試驗(yàn)過程中功能正常，性能指標(biāo)符合技術(shù)要求。
符合(2)類的產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)視其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品使用說明書或者試驗(yàn)大綱的規(guī)定來判定，當(dāng)認(rèn)為某些影響不重要時(shí)，可以判為合格。
符合(3)類的產(chǎn)品，試驗(yàn)結(jié)果除了特殊情況并且不會(huì)造成危害以外，多數(shù)判為不合格。
符合(4)類的產(chǎn)品判別為不合格。
2 針對EFT硬件防護(hù)
2.1 電源線的措施
解決電源線干擾問題的主要方法是在電源線入口處安裝電源線濾波器，以阻止干擾進(jìn)入設(shè)備。這時(shí)，只要在電源線的入口處安裝一只含有共模濾波電容的電源線濾波器，線 — 地之間的共模電容是抑制這種瞬態(tài)干擾的有效器件，它使干擾旁路到機(jī)殼而遠(yuǎn)離內(nèi)部電路。當(dāng)這個(gè)電容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時(shí)，共模扼流圈必須提供更大的保護(hù)作用。這通常要求使用專門的帶中心抽頭的共模扼流圈，中心抽頭通過一只電容(容量由泄漏電流決定)連接到機(jī)殼。如果設(shè)備的機(jī)箱是非金屬的，則地線面不能起到較好的旁路作用，在這種情況下，主要靠提高電感高頻特性發(fā)揮作用。采用鐵氧體磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。一般將鐵氧體磁芯用在干擾的源頭和設(shè)備的入口處最為有效。
2.2 電纜線的措施
系統(tǒng)上的電纜是最有效的干擾接收與發(fā)射天線。解決電快速脈沖干擾的方法是將電纜屏蔽起來并且接地；信號電纜上安裝共模扼流圈，共模扼流圈實(shí)際是一種低通濾波器，只有當(dāng)電感量足夠大時(shí)，才能對電快速脈沖群有效果。但是當(dāng)共模扼流圈的電感量較大時(shí)，雜散電容也較大使得，共模扼流圈的高頻抑制效果降低。因此，在實(shí)際使用時(shí)，需要注意調(diào)整扼流圈的匝數(shù)。必要時(shí)將兩個(gè)不同匝數(shù)扼流圈串聯(lián)起來，兼顧高頻和低頻的要求；信號電纜上安裝共模濾波電容，切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑，這種濾波方法比扼流圈具有更好的效果，但是需要將金屬機(jī)箱作為濾波電容的地。另外，串入磁珠對抑制高頻干擾也有一定的效果。
2.3 接口的措施
主控板與顯示面板的連接線應(yīng)盡量短。連接線通常包含穩(wěn)壓供電和幾條通信線。LCD驅(qū)動(dòng)器入口電源并聯(lián)TVS二極管[2],當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過二極管被引開，避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。電源電路的穩(wěn)壓電容取100 μF以上的電解電容，并跨接10 μF左右的電解電容和0.1 μF陶瓷電容。
每條通信線連接阻容低通濾波器，一般可選電阻幾百歐姆、電容30 pF～100 pF，可以起到保護(hù)輸入端口、濾除高頻干擾的作用。注意阻容的選值不能讓高速信號失真。另外，注意電源線、地線及輸入/輸出接口上不要保留無用的導(dǎo)線，以免引入干擾。
2.4 MCU防護(hù)措施
MCU做為單片機(jī)系統(tǒng)的核心，與整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有很大的關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下原則[3]：在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路；振蕩電路的地單獨(dú)連到MCU的VSS，且走線越短越粗則效果越好，石英晶體振蕩器外殼接地 ，地線半包或全包振蕩電路；MCU復(fù)位電路的電源和地單獨(dú)連到MCU的VDD和VSS，且走線越短越粗則效果越好；干擾較大的輸入口要并入0.1 μF濾波；通信器件間的距離越短越好，也可以加RC濾波電路，但不要讓波形失真；對于單片機(jī)閑置的輸入口，要接地或接電源，或設(shè)為輸出，不要懸空；對于驅(qū)動(dòng)大功率器件，輸出口采用隔離，對于關(guān)鍵的高低電平驅(qū)動(dòng)，設(shè)置內(nèi)部上拉或下電阻拉保證系統(tǒng)的安全； 模擬信號電路部分、高速數(shù)字電路部分、噪聲源部分(如繼電器、大電流開關(guān)等)，合理地分開它們，使相互間的信號耦合為最小非常關(guān)鍵；加粗地線，減小地環(huán)路,減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾；在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地,不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地；電源電路的穩(wěn)壓電容取100 μF以上的電解電容,局部電源輸入端跨接10 μF左右的電解電容，原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01 μF的瓷片電容。
3 軟件防護(hù)
(1) 對單片機(jī)使用看門狗電路和掉電保護(hù),一旦程序跑飛死機(jī)能重新開始運(yùn)行[4]。電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降將使微機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，微機(jī)系統(tǒng)難以恢復(fù)正常。對付這一類事故的有效方法是掉電保護(hù)。當(dāng)?shù)綦娦盘柾ㄟ^硬件電路被軟件檢測出，馬上進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)，保存當(dāng)時(shí)重要的狀態(tài)參數(shù)；當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，MCU重新復(fù)位，恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)未完成的工作。另外,睡眠時(shí)MCU對干擾不會(huì)作出任何反應(yīng)，從而大大降低系統(tǒng)對干擾的敏感程度。
(2) 重復(fù)輸入或輸出。為了確保判斷正確，可以對輸入口連續(xù)多次判斷，有時(shí)為防止單片機(jī)輸出信號被干擾，可以通過重復(fù)輸出同一個(gè)信號來改善。只要重復(fù)周期盡可能短，收到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信號后還來不及作出有效的反應(yīng)，而一個(gè)正確的輸出信號又來到，就可以及時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。
(3) 在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入NOP指令。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令前也可插人NOP指令，對重要的標(biāo)志位進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新，在程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，軟件陷阱指向出錯(cuò)處理程序。
(4) 對于雙機(jī)通信，通信協(xié)議中可以規(guī)定驗(yàn)證碼，如果驗(yàn)證不通過則重新通信。而對于被動(dòng)接收數(shù)據(jù)的LCD驅(qū)動(dòng)器，如果MCU工作不出錯(cuò)，可以通過不斷刷新的方式覆蓋可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。控制LCD驅(qū)動(dòng)器時(shí)可能出現(xiàn)通信錯(cuò)誤(即MCU發(fā)送給LCD驅(qū)動(dòng)器的顯示設(shè)置指令和顯示數(shù)據(jù)在接收時(shí)已經(jīng)出錯(cuò)),也可能LCD驅(qū)動(dòng)器自身的工作寄存器或顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被干擾出錯(cuò)。所以刷新傳送應(yīng)包括指令和數(shù)據(jù)兩部分，刷新時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際要求來定，刷新時(shí)間短，出錯(cuò)可以很快被修正。
在硬件采取了一定的防護(hù)措施后，軟件的防護(hù)在提高EFT等級時(shí)，有時(shí)會(huì)起到既便宜又有效的關(guān)鍵作用，實(shí)際測試甚至?xí)? kV提高到4 kV。
參考文獻(xiàn)
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[2] EFT測試|EFT整改[EB/OL].[2010-9-13].(2012-09-30). http://www.jic35.cn/st9683/Article_8311.html/.
[3] 宋秀敏,卜建平. 基于瑞薩QzROM單片機(jī)的EFT抗干擾措施[J]. 電子產(chǎn)品世界, 2011,18(1):55-56.
[4] 控制類家電產(chǎn)品抗擾措施培訓(xùn)[EB/OL].(2012-10-5).http://www.doc88.com/p-906234687220.html.