微控制器快速干扰脉冲群效应机理研究

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微控制器(Microcontroller Unit)因其自身体积小、性能强、集成度高的优点被广泛使用在各种电子设备中。但正因为这些优点,微控制器出现相互电磁干扰的现象也越来越严重,导致微控制器的电磁兼容性能大大降低,因此,研究微控制器电磁兼容鲁棒性对微控制器厂商和企业的电子系统尤为重要。电快速瞬变(Electrical Fast Transient,EFT)作为典型的瞬态干扰脉冲,具有高幅值、电压上升快的特点,对微控制器性能影响极大。因此,研究微控制器快速干扰脉冲群效应机理对于分析微控制器电磁兼容性能具有十分重要的意义。本文选用一款市面广泛使用的微控制器进行EFT抗干扰实验,建立微控制器EFT脉冲扰度模型,探究微控制器在EFT干扰下的失效机理。首先介绍研究背景,集成电路电磁兼容的相关内容,EFT脉冲的危害以及目前国内外研究现状。接着,阐述待测的微控制器内部功能,设计EFT实验用的PCB板,搭建EFT抗干扰度配套试验系统,然后选取微控制器的电源引脚、晶振引脚、时钟引脚等注入引脚进行EFT效应研究,分析其在不同EFT干扰电压下的可靠性。而后通过矢量网络分析仪提取微控制器电源分布网络和负载配置的S参数,并转换成等效的RLC电路,再根据微控制器I/O端口的电气特性和参考已有的保护结构得到等效电路,进而建立了完整的微控制器EFT抗扰度模型。此外,进一步建立了传输线脉冲抗扰度模型,仿真了不同脉冲干扰下的微控制器非线性效应。仿真与实验结果表明:(1)微控制器引脚EFT测试电压升高,出现失效现象越来越严重,但是有些引脚,例如晶振引脚,因为该引脚保护结构开启从而导致对某个电压比较敏感,没出现这个规律;(2)微控制器抗扰度模型与实验结果拟合度很高,可以预测EFT脉冲干扰进入引脚时微控制器内部电压波形以及失效等级,表明了保护结构开启状态与二极管的击穿电压有关;(3)引脚失效原因一方面可能是因为电源电压由于受到外部干扰导致内部数字信号发生改变,发送错误信号给微控制器的接收器,导致微控制器功能失效或者不完整,另外一方面是器件中互补金属氧化物半导体闩锁引起的。最后针对EFT脉冲干扰对微控制器的影响,进行了波形测试、I-V曲线检测、X射线检查、电子显微镜扫描等检测以分析微控制器失效原因,并提出了抗闩锁效应的措施。
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