电磁脉冲对数字电路的辐照法与注入法比较

周星,程二威,王书平

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003)

电磁脉冲对数字电路的辐照法与注入法比较

周星,程二威,王书平

(军械工程学院静电与电磁防护研究所,河北石家庄 050003)

为了研究电磁脉冲注入法在评价设备或系统中电子器件受电磁脉冲辐照作用的有效性,准确评价电子器件在工作时的抗电磁脉冲能力,选取了某导弹装备上信息处理模块的串行数据分配电路为研究对象,研究了2种雷电电磁脉冲对电路的辐照效应与注入效应,总结了耦合规律与作用机理,讨论了直接注入与辐射耦合的相关性,探讨了电磁脉冲抗扰度的实验方法.研究结果表明,电磁脉冲的注入法与辐照法是不相关的,注入法不能替代辐照法.

电磁脉冲;雷电电磁脉冲;数字电路;注入法;辐照法

电磁脉冲是一种常见的干扰源,在日趋复杂的电磁环境下,电子器件及设备面临着各种自然和人为的电磁脉冲的威胁[1-2].电磁脉冲对电路系统和器件的能量耦合途径有传导耦合和辐射耦合2种方式,在实验中通常采用注入法和辐照法来模拟传导和辐射2种干扰方式,并以此来评估设备或者器件的电磁抗扰度或敏感性.注入法是直接将干扰信号注入被试物,该方法的优点在于实验条件和步骤简单,而且使用功率相对较低的源就可以使被试物得到一定的电压值和能量值,而采用辐照法需要很大功率的源才能使被试物得到同样的电压值和能量值,但辐照法能够比较真实地模拟电子设备受电磁脉冲辐照的情形,更接近实际情况[3].而过去对微电子器件的电磁脉冲效应研究主要采用直接注入的实验方法,如直接注入静电脉冲、方波脉冲等,此时器件处于非工作状态,因此探讨注入法在评价设备或系统中电子器件受电磁脉冲辐照作用的有效性,对研究电子器件的电磁脉冲效应实验方法、准确评价电子器件在工作时的抗电磁脉冲能力有着重要意义.

本文以某导弹装备上一块数字电路为代表,选取了2种雷电电磁脉冲作为干扰源,对该数字电路进行辐照实验以及对该电路中接收干扰的与非门器件进行注入实验,并通过比较辐照实验与注入实验的结果来讨论二者的等效性.

1 被试对象

被试对象选自某装备上信息处理的串行数据分配电路.被试对象分为2部分,控制信号产生电路和串行数据分配电路.控制信号产生电路产生脉宽为125μs的方波振荡信号,该信号由分配电路里的一个与非门接收.当控制信号受到电磁脉冲干扰,干扰电压超过某一阈值时,与非门电路将产生翻转,造成误动作,致使正常的数据输出被阻断,或是输出了不需要的错误数据.因此,本实验选择了控制信号传输线为辐照干扰的耦合途径,来研究耦合规律、电路的结构及其在电磁场中的位置,如图1所示.

为了比较不同型号与非门的抗电磁脉冲能力,选用了由美国德克萨斯仪器公司生产的74LS00, 74HC00,74HCT00和CD 4011等4种常见的TTL和CMOS与非门进行实验研究.

2 辐照实验

2.1 辐照装置

雷电电磁脉冲辐照实验装置如图2所示.将受试设备(EU T)置于平行板传输线工作空间.高压脉冲源采用LSG-8015雷电浪涌发生器,它可产生国际标准IEC61000-4-5所规定的综合波浪涌(1.2/50μs)电压波形和CCITT波形(10/700μs)[4].对工作空间内脉冲场的测量采用光纤传输的宽带电场测试系统进行测量,对被试电路接收的耦合电压的测量采用TEK-TDS680B示波器.

按照上述实验方案,被试电路按照图1所示的摆放方向进行辐照实验,测量串行数据分配器电路中接收选通控制信号的与非门输入端和输出端的波形.

2.2 不同场强条件下的实验结果

采用综合波浪涌(1.2/50μs)为辐照源,改变场强的大小,与非门型号为CD4011,测量不同场强下与非门的输入与输出端的电压波形,图3为当辐射场强峰值为8.75 kV/m时,与非门输入与输出端的电压波形,其中通道1是输入波形,通道2是输出波形.图中,横坐标为200 ns/格,纵坐标为2 V/格.因为脉冲的持续时间小于多谐振荡器产生的方波的半周期,故脉冲干扰结果分信号在低电平时受到干扰的情况(图3 a)和信号在高电平时受到干扰的情况(图3 b).

图3 场强峰值为8.75 kV/m时与非门输入和输出端的波形Fig.3 Input and output waves of gate when E-field strength is8.75 kV/m

从图3可以看出,本来应该处于高电平或低电平的信号,在受到干扰后,产生了振荡,先是高频振荡,后为低频衰减振荡.将场波形与感应波形(与非门输入端波形)进行比较(如图4所示),可以发现:场波形的前部有一些高频振荡,这在标准的双指数雷电浪涌波形中是不应该存在的,这是由于放电开关以及波形产生电路分布参数等因素而产生的.而感应波形前部的高频振荡与场波形前部的高频振荡的振荡频率和持续时间相当,可以推知感应波形前部的高频振荡是由场波形前部的高频振荡引起的.感应波形后部的低频振荡才是由双指数场波形引起的.低频振荡的振荡周期为2.2～2.3μs,场强比较低的时候并不明显,场强比较高时,振荡强度加大,超过与非门的翻转门限时还会导致与非门发生翻转,随着场强的增大与非门发生翻转的次数也增多.

图4 场波形与感应电压波形Fig.4 E-f ield wave and induced voltage wave

在同一干扰水平下(即同样的电场强度),当输入端的信号处于低电平时,比高电平时感应电压波形的低频振荡衰减得慢,持续时间更长,输出端翻转的次数也更多.这是因为器件处于不同的电平下内部管子的开关状态不一样,因而具有不同的输入阻抗,对干扰的接收能力也不同.

2.3 不同接收与非门类型的实验结果

更换与非门的类型,仍采用综合波浪涌(1.2/50μs)为辐照源,测量不同型号与非门在电路中受到辐照时接收的干扰电压.图5显示了不同类型的与非门在不同场强下感应电压的峰峰值.从图中可以看出,在同一场强水平下,不同芯片感应的电压峰值不一样.其中74LS00比其他3种与非门的感应电压要大得多.

图5 各与非门输入端电压与场强的关系Fig.5 Relation of f ield strength and input voltage of gate

经分析,导致各芯片耦合结果不同的原因是各个芯片的输入阻抗特性不同.这说明了在同样的外部天线和辐射场的条件下,天线的形状一定,阻抗特性就是一定的,器件内部的结构与阻抗特性对感应结果起着很大影响,阻抗越大,器件的接收能力越强,因而接收到的感应电压越高.

当场强峰值增大到一定值时,与非门输入端接收到的干扰电压超过翻转阈值时,与非门的就会发生翻转.测试结果表明,不同类型的与非门受干扰的最小场强不同,即与非门翻转阈值不同.表1为不同与非门受到干扰的翻转阈值.

表1 各种与非门的翻转阈值Tab.1 Overturn thresholds of gates

在高电平状态下,与非门受辐射干扰的翻转阈值从高到低排序为:74LS00,74HC00,74HCT00, CD4011;在低电平状态下,与非门受辐射干扰的翻转阈值从高到低排序为:CD4011,74HC00,74HCT00, 74LS00.器件的干扰阈值除了受电路的门限电平和噪声容限的影响外,还受器件的输入阻抗影响,即器件接收能力的影响.

2.4 不同脉冲类型的实验结果

由于各器件的感应波形相似,故以74HC00为例,研究改变浪涌类型对耦合结果的影响.采用CCITT波形(10/700μs)作为辐照源,将被试对象按照图1所示方向置于脉冲场中,观测74HC00的耦合结果.图6是电场峰值为8.75 kV/m时的耦合电压波形.图中,横坐标为1μs/格,纵坐标为10 V/格.

图6 场强峰值为8.75 kV/m时74HC00输入和输出端的波形Fig.6 Input and output waves of gate when E-f ield strength is8.25 kV/m

从图6可以看出,CCITT脉冲场下的感应电压波形的主要持续时间为1～1.5μs的高频振荡,这也是由于场波形上升沿上额外叠加的高频振荡引起的;而感应波形低频振荡的幅度极小,尤其在场强比较小的时候,几乎没有低频振荡,只有在场强峰值很大的情况下,与非门才发生了翻转.低频振荡与场波形的上升沿、脉宽等因素有关.综合波的上升沿较小,因而其频谱分布在一个较高的频率段,感应的电压波形的低频振荡幅度较大,而CCITT波的上升沿较大,分布在较低的频率段,而感应波形的低频振荡幅度很小.

图7 注入方法示意Fig.7 Sketch map of in jection method

3 注入实验

3.1 注入方法

对辐照实验中的干扰接收器件与非门进行注入实验.与非门仍选用辐照实验时使用的由美国德克萨斯仪器公司生产的74L S00, 74HC00,74HCT00和CD4011 4种常见的TTL和CMOS与非门.其注入方法如图7所示[5].

3.2 综合波注入实验

用前面所述的实验方法对74LS00,74HC00,74HCT00和

CD4011 4种与非门进行注入实验,得到它们的最小损伤电压和最大未损伤电压值,见表2.从表中可以看出,对于综合波脉冲,各种与非门的耐压能力是不同的,它们的耐压情况由高到低排序为74HC00,CD4011, 74LS00,74HCT00.

表2 与非门的最小损伤电压和最大未损伤电压Tab.2 Least damage voltage and themost non-damage voltage of gates

3.3 CCITT脉冲注入实验

用前面所述的实验方法对74LS00,74HC00,74HCT00和CD4011 4种与非门进行CCITT脉冲的注入实验,所有器件的损伤阈值均在30 V以下.可见,宽脉冲对器件的损伤阈值比窄脉冲下的损伤阈值要低得多.

4 结论

微电子器件在进行直接注入实验时,通过注入实验确定器件的敏感端对的损伤电压阈值,标准常以注入电压的高低来划分器件抗电磁脉冲能力的等级.器件损伤与失效机理基本上都与注入的能量或者电压有关,即与注入电压和脉冲的脉宽有关,而与脉冲的上升沿没有直接的关系.前面的实验也证实了这一点,综合波波形的脉宽要比CCITT波形小,不管是工作状态还是非工作状态下,器件的损伤阈值都要大,也就是说,注入脉冲的脉宽越宽,损伤阈值越小.

由前面的实验与分析结果可知,感应电压与脉冲的上升沿有关,而与脉宽无关.上升沿的大小决定了脉冲频谱的高频分量,而被试电路对场来说为电小尺寸,因而辐照耦合对高频的场更为敏感.故上升沿越小,被试设备的感应电压幅度越大,而上升沿大的场对被试设备的感应电压幅度小.

比较注入与辐照结果发现,不同类型的器件在注入实验中的耐压排序与在辐照实验中受干扰的情况是完全不同的,也就是说,注入耐压能力高的器件,在辐照中抗干扰与损伤的能力不一定就高.

从以上的比较分析中可以得出:注入法与辐照法不但对电磁脉冲的敏感参数不一样(对上升沿敏感或对脉宽敏感).并且通过比较不同类型的与非门器件的注入损伤阈值与辐照干扰阈值,可以发现器件在注入实验中的耐压能力不能代表它的辐照抗干扰能力.可见,对于不同类型的器件来说,由于不同器件的接收能力以及抗电磁脉冲能力的情况不同,注入法与辐照法是不相关的.

对单个器件来说,由于管脚间的输入阻抗是一定的,即器件在电路中受辐照时接收能力一定,器件在注入实验中抗电磁脉冲的能力提高了,在电路中受辐照时抗电磁脉冲的能力也会提高.因此,注入法在改进和提高器件的抗电磁脉冲能力研究的测试中是一个有效的方法.在实际应用中,应根据具体情况来决定采用何种方法来评价.

[1]邬占军,刘尚合.电磁脉冲与电磁环境[J].军械工程学院学报,1995,7(4):1-3.

[2]刘尚合,武占成,朱长清,等.静电放电与危害防护[M].北京:邮电大学出版社,2004.

[3]王长河.电子元器件辐射效应及加固技术研究及展望[J].抗核加固,1997(6):55-65.

[4]IEC 61000-4-5,1995.Electromagnetic compatibility-Part 4-5:Testing and techniques-Surge immunity test[S].

[5]杨洁,刘尚合,原青云,等.微电子器件方波EMP注入敏感端对的实验研究[J].军械工程学院学报,2004,16(12):1-3.

Comparison on In jection and Radiation of Pulse on Digital Circuits

ZHOU Xing,CHENG Er-wei,WANG Shu-ping
(Electrostatic and Electromagnetic Protection Research Institute,Ordnance Engineering Co llege, Shijiazhuang 050003,China)

To investigate the validity of injection method on estimating radiation immunity of devices in circuits and system s against EM P,and exactly evaluate immunity of devices on working against EM P,a digital circuitw as chosen as study object,and the injection experiments and radiation experiments of two typesof LEM P on the digital circuit were studied.Coup ling rules were studied,and the experimental results of injection and radiation w ere compared.Experimental results show ed that radiation effects w ere suscep tible to rise-time of pulse,w hile injection effects are suscep tible to pulse w idth,and the imm unity of devicesagainst pulse of injection couldn’t rep lace the immunity of devices in circuit against pulse of radiation.The injection method and radiation method were irrelevant,and they couldn’t rep lace each other.

electromagnetic pulse(EM P);lightning EM P(LEM P);digital circuit;injection method; radiation method

O 441;TM 973

A

1000-1565(2010)05-0594-06

2010-04-20

国家自然科学基金资助项目(50977091;60971042)

周星(1978—),女,重庆江津人,军械工程学院讲师,博士,主要研究方向为电磁脉冲效应评估与防护技术.

(责任编辑:孟素兰)