史佳兆 張國柱 邵瑞添

（庫卡機(jī)器人（廣東）有限公司電控開發(fā)部，廣東 佛山，528311 ）

0 引言

EFT（Electrical fast transient， 電 快 速 瞬 變 脈沖）測試作為電子產(chǎn)品的一項(xiàng)EMC（Electro Magnetic Compatibility）測試要求，不管是工業(yè)領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域都有著明確的標(biāo)準(zhǔn)，特別是在工業(yè)領(lǐng)域作為產(chǎn)品認(rèn)證的一項(xiàng)必備要求，在標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4[1]和GB17626.4-2018[2]中都有著明確的規(guī)定，所以關(guān)于EFT的測試及相應(yīng)的產(chǎn)品整改對(duì)策均是極為重要的工作內(nèi)容，本文重點(diǎn)分析一款工業(yè)平板產(chǎn)品在開發(fā)中遇到的EFT問題及整改對(duì)策。

1 工業(yè)手持設(shè)備概述

工業(yè)手持設(shè)備在機(jī)器人行業(yè)通常叫做示教器，用來手動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，并具有示教編程功能，是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一部分。目前主流的分兩種：一種是基于嵌入式系統(tǒng)的大屏幕顯示示教器，這種手持器尺寸較大，需要雙手操作，功能較強(qiáng)大，屏幕顯示清晰，人機(jī)交互性較好，但是成本很貴；另一種是手柄式樣的，這種一般體積較小，可以單手握，成本低，但是功能較單一。

本文分析的工業(yè)手持設(shè)備，是基于嵌入式系統(tǒng)的大屏幕顯示示教器，其中顯示觸摸部分用的是工業(yè)平板組件，但較手柄式樣的結(jié)構(gòu)更簡潔，成本更低。本產(chǎn)品主要分為ABS塑料外殼結(jié)構(gòu)部分，內(nèi)部固定金屬底板，PCBA電路板和液晶屏觸摸屏組件，功能強(qiáng)大，可靠性高，經(jīng)過各種嚴(yán)格的測試。

2 EFT測試標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法

2.1 EFT測試標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4和我國國際標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17799.2-2003[3]、 GB17626.4-2018均對(duì)EFT測試有相關(guān)規(guī)定。其中，GB17626.4-2018對(duì)EFT的試驗(yàn)電壓波形、試驗(yàn)等級(jí)范圍、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)、試驗(yàn)布置、試驗(yàn)程序、結(jié)果評(píng)定等都做了詳細(xì)的規(guī)定，具體試驗(yàn)電壓見表1，試驗(yàn)等級(jí)見表2。

表格 1 試驗(yàn)電壓

表格 2 試驗(yàn)等級(jí)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)

在GBT17799.2-2003/IEC 61000-6-2 中，對(duì)產(chǎn)品是否能通過EFT測試的性能判據(jù)做了明確的說明，具體分為三種情況。

判據(jù)A: 在試驗(yàn)期間和試驗(yàn)之后，設(shè)備應(yīng)能按預(yù)定的方式連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備按預(yù)定方式使用時(shí)，其性能降低和功能喪失不允許低于制造商規(guī)定的性能水平，性能水平可以用允許的性能喪失來代替，如果制造商沒有規(guī)定最低性能水平或者允許喪失的性能，則二者均可從產(chǎn)品說明書和產(chǎn)品文件中得到，或者再設(shè)備按預(yù)定的方式使用時(shí)，從用戶的合理期望中得出。

判據(jù)B：在試驗(yàn)之后，設(shè)備應(yīng)按預(yù)定方式連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備按預(yù)定方式使用時(shí)，其性能降低或者功能喪失不允許低于制造商規(guī)定的性能水平。性能水平可以用允許的性能喪失來代替。在試驗(yàn)期間，允許性能降低，但是實(shí)際工作狀態(tài)或者存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不允許改變。如果制造商沒有規(guī)定最低性能水平或者允許喪失的性能，則二者均可以從產(chǎn)品說明書和產(chǎn)品文件中得到，或者再設(shè)備按預(yù)定的方式使用時(shí)，從用戶的合理期望中得出。

性能判據(jù)C:允許暫時(shí)喪失功能，只要這種功能可自行恢復(fù)或者可以通過操作控制器來恢復(fù)。

2.3 測試方法

具體的測試方法步驟如下：

1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求布置設(shè)備及相關(guān)線纜；

2）在測試設(shè)備中輸入測試參數(shù)；

3）運(yùn)行測試設(shè)備；

4）觀察；

5）記錄現(xiàn)象；

6）根據(jù)判定分析判定；

7）問題整改；

8）復(fù)測。

3 測試案例

下面主要分析一款手持工業(yè)設(shè)備用平板在開發(fā)中遇到的問題及整改方法和措施。

3.1 測試步驟

3.1.1 試驗(yàn)布置

測試設(shè)備根據(jù)GB/T 17626.4-2018第7節(jié)布置如圖1，將動(dòng)力線通過電容耦合夾接入被測產(chǎn)品的電源接口和信號(hào)接口，電容耦合夾按要求接入EFT測試儀。

圖1 測試設(shè)備布置

3.1.2 條件參數(shù)設(shè)置

1）電磁環(huán)境條件：實(shí)驗(yàn)室的電磁環(huán)境不應(yīng)影響試驗(yàn)結(jié)果。

2）終端測試狀態(tài)：終端應(yīng)處于開機(jī)工作狀態(tài)。

3）試驗(yàn)頻率：5kHz。

4）脈沖個(gè)數(shù)：75個(gè)。

5）脈沖周期：300ms。

6）試驗(yàn)電壓：±1kV，±2kV。

7）持續(xù)時(shí)間：60s, 分為6段進(jìn)行測試。

8）性能判據(jù)，電源輸入端口試驗(yàn)電平為：±1 kV，允收A；±2 kV，允收A/B。

3.1.3 功能確認(rèn)

測試前對(duì)待測對(duì)象通電，用雙指進(jìn)行不同位置按壓測試，特別是同軸位置按壓，并進(jìn)行不同方向劃線測試，確保待測對(duì)象功能完好。

3.1.4 上電測試

1）在上電測試狀態(tài)對(duì)待測對(duì)象屏幕進(jìn)行雙指按壓及劃線操作，記錄現(xiàn)象。

2）設(shè)置不同電壓，重復(fù)測試步驟，記錄問題及現(xiàn)象。

3.2 問題及現(xiàn)象記錄

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測試時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行1kV、1.5kV、2kV等級(jí)測試的時(shí)候，觸摸屏兩指同軸觸摸會(huì)有跳點(diǎn)現(xiàn)象（見圖2），兩指按壓后出線一條線（正常應(yīng)該是兩個(gè)點(diǎn)），三指劃線會(huì)產(chǎn)生斷線（見圖3），偏移現(xiàn)象（見圖4）。因?yàn)樵摦a(chǎn)品是用于機(jī)器人操控的，所以這種在干擾狀況下產(chǎn)生的非預(yù)期反應(yīng)，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的安全性造成影響，是不被允許的。

3.3 問題分析及整改

3.3.1 問題分析

圖2 兩指同軸按壓跳點(diǎn)現(xiàn)象

圖3 三指劃線斷線現(xiàn)象

圖4 三指劃線偏移現(xiàn)場

要解決EFT測試不通過的問題，筆者先對(duì)EFT產(chǎn)生原理進(jìn)行分析。EFT即電快速瞬變脈沖，一般是由于電路中開斷一些感性負(fù)載產(chǎn)生的，但其產(chǎn)生的源頭不一定是自身，很多情況下是由于周圍環(huán)境中的其他設(shè)備造成的。它產(chǎn)生的往往是一連串的脈沖，而且脈沖的周期比較短，每個(gè)脈沖波的間隔時(shí)間較短，對(duì)于電路中的輸入電容來說，在未完成放電時(shí)候又開始充電，所以這樣的干擾會(huì)有一個(gè)累積效應(yīng)，以至于很容易影響到電子設(shè)備的正常使用。

根據(jù)EFT的產(chǎn)生原理，筆者分析可能存在以下幾個(gè)原因。

1）信號(hào)線屏蔽問題。從試驗(yàn)方法可知，干擾脈沖耦合進(jìn)入信號(hào)電纜的方式為電容性耦合。消除電容性耦合的方法是將電纜屏蔽起來，并且接地，因此，用電纜屏蔽的方法解決電快速脈沖干擾的條件是電纜屏蔽層能夠與試驗(yàn)中的參考地線層可靠連接，如果設(shè)備的外殼是金屬并且接地的設(shè)備，這個(gè)條件容易滿足；但是本產(chǎn)品采用的是非金屬殼體，所以將設(shè)備殼體接地的做法行不通，但是可以對(duì)線纜進(jìn)行屏蔽在供電側(cè)進(jìn)行接地。

2）線纜結(jié)構(gòu)的問題。如果未采用雙絞線不太利于干擾的抑制。

3）抗干擾磁環(huán)的配置問題。一般的信號(hào)線在磁環(huán)上繞2～3圈對(duì)于抗擾能力不是太弱的設(shè)備來說，這種措施的效果還是不錯(cuò)的。

4）敏感器件的屏蔽問題。

5）軟件問題。

針對(duì)以上原因，筆者逐一進(jìn)行了分析。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于上述原因1和原因2，當(dāng)前產(chǎn)品是滿足抗干擾要求的；對(duì)于原因3，增加抗干擾磁環(huán)的元器件，比如磁環(huán)，本產(chǎn)品因空間限制不太適合使用，所以暫不考慮；對(duì)于原因4和原因5，筆者發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品中的CPU等一些關(guān)鍵部件已經(jīng)有屏蔽罩，但是觸摸屏可能會(huì)產(chǎn)生問題，干擾可能存在于TP、液晶屏相關(guān)部分。通過對(duì)觸摸屏和TP的連接排線進(jìn)行檢查、分析，筆者認(rèn)為LCD造成TP的干擾可能性大，需要從這個(gè)方向排查解決問題。

針對(duì)上述分析，通過頻譜分析儀，筆者看到LCD排線連接處有比較強(qiáng)的信號(hào)點(diǎn)冒出，如圖5所示。

圖5 LCD排線連接處的頻譜分布

筆者首先對(duì)排線處進(jìn)行屏蔽處理：

1）將LCD排線屏蔽并接地處理，但是測試結(jié)果顯示EFT沒有得到改善；

2）在LCD排線上增加磁環(huán)，跳點(diǎn)概率降低一點(diǎn)，但EFT無明顯改善。

因此，筆者分析該連接排線不是EFT問題的根源。

排除了對(duì)連接排線的懷疑后，筆者通過TP背景噪聲軟件對(duì)待測設(shè)備進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)底噪冒出來是在TP的左側(cè)，如圖6所示。

圖6 TP背景噪聲分布圖

將TP左側(cè)通道屏蔽（不使能工作），則TP底噪低于±50（在50內(nèi)有很大概率將問題解決），此外使用TP、LCD單體測試，兩者分離后，TP底噪低于±50。因此，筆者判定TP的干擾信號(hào)是從LCD傳過來的。

總結(jié)以上分析可知，LCD部分干擾到TP，通常是LCD掃描的時(shí)候會(huì)有干擾信號(hào)冒出來或者背光造成TP干擾，以下針對(duì)LCD部分進(jìn)行整改。

3.3.2 整改措施

筆者依次采取以下處理手段進(jìn)行排查整改。

1）主板上LCD背光工作使能關(guān)掉，TP背景噪聲軟件掃描分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)底噪仍然高概率超過±50，因此不是背光造成的。

2）更改LCD掃描方式，通過與LCD廠家溝通，發(fā)現(xiàn)LCD掃描方式在出廠時(shí)已經(jīng)固定，不能更改。

3）屏蔽隔離LCD部分干擾信號(hào)的方法分析。

①在LCD背面增加導(dǎo)電膠布和海綿貼到散熱基板，如圖7黑色部分和白色方塊部分，測試發(fā)現(xiàn)沒有改善EFT效果；

②通過頻譜掃描LCD基板，筆者發(fā)現(xiàn)LCD基板上有較強(qiáng)信號(hào)冒出，如圖8所示。對(duì)此，筆者使用導(dǎo)電膠布將LCD基板和出線部分的LCD全部包裹起來，如圖9中所示。

圖7 LCD背面單獨(dú)貼的導(dǎo)電海綿

圖 8 LCD基板頻率掃描圖

圖9 在導(dǎo)電布上貼導(dǎo)電海綿

首先，筆者在LCD基板上只貼白色膠帶、不加海綿方塊：此時(shí)頻譜掃描檢測不到冒點(diǎn)干擾，但是使用TP背景噪聲軟件掃描發(fā)現(xiàn)底噪仍然超過±50，只是超過的概率降低了；使用EFT測試，在2K條件下仍然有調(diào)點(diǎn)，同樣是出現(xiàn)概率降低了。

③其次，筆者在上述②的基礎(chǔ)上貼導(dǎo)電海綿到散熱基板，如圖9所示，再次進(jìn)行2K EFT測試，結(jié)果兩指同軸按壓時(shí)仍有小概率出現(xiàn)跳點(diǎn)。

④再次，筆者在上述③的基礎(chǔ)上將TP包裹住，貼導(dǎo)電布，并且TP基板處增加導(dǎo)電海綿，如圖10所示。

圖10 將TP包裹住貼導(dǎo)電布及增加導(dǎo)電海綿

3.3.3 整改結(jié)果

按照上述整改措施，筆者再次進(jìn)行EFT測試，在2K條件下，兩指同軸按壓出現(xiàn)跳點(diǎn)的問題解決了，如圖11、圖12所示。

圖11 雙指同軸按壓操作圖

圖12 整改后雙指同軸按壓效果圖

另外，三指畫線偏移及斷線問題也得到解決，如圖13所示。

圖13 整改后三指劃線效果圖

通過以上手段，EFT問題雖然能解決，但是筆者發(fā)現(xiàn)，這在產(chǎn)品制造工藝上將會(huì)比較繁瑣。所以，筆者又對(duì)軟件算法進(jìn)行了分析，針對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

最終較好的處理手段是：

1）在硬件上，TP基板包裹導(dǎo)電布并粘貼一個(gè)導(dǎo)電海綿到散熱基板；

2）在軟件上，實(shí)測環(huán)境中優(yōu)化觸發(fā)閾值，優(yōu)化ADC采樣個(gè)數(shù)，優(yōu)化跳頻頻點(diǎn)，優(yōu)化背景噪聲掃描速度參數(shù)，擴(kuò)大抑制參數(shù)。

通過以上處理，該手持設(shè)備用工業(yè)平板達(dá)到EFT試驗(yàn)要求，且降低了生產(chǎn)難度。具體硬件處理如圖14所示。

圖14 TP基板屏蔽包裹及貼導(dǎo)電膠布措施實(shí)例

4 結(jié)論

通過對(duì)ETF測試標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)生原理的分析，并結(jié)合實(shí)際的整改案例，筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于EFT干擾的問題，一般可以從線的屏蔽、線的結(jié)構(gòu)、抗干擾器件（磁環(huán)、磁珠）的設(shè)置、干擾源的屏蔽等方面進(jìn)行分析整改，再結(jié)合具體的案例情況一步步排查，將會(huì)比較快速地解決問題，另外再配合軟件的優(yōu)化調(diào)整，一般都可以達(dá)到比較好的解決效果。