深蓝宇浅谈USB产品的EFT抗干扰分析、推荐行业应用工控机

中国赛宝实验室、中国广州天河区东莞庄路110号安全与电磁兼容中心EMC室

摘要：本文主要介绍USB产品的EFT抗干扰测试方法和原理，以及给出了一些相应对策建议。

关键词: USB EFT测试 干扰抑制

USB为Universal Serial Bus之简称,中文名称为:通用序列总线,其特性为随插即用,USB接口适用各种操作系统,不需安装特殊驱动程序,也不需繁复的设备安装过程,透过USB的接口,您即可马上存取您的各项资料或驱动其它硬件,堪称为目前最佳人性化的使用接口,目前USB接口备广泛应用一般计算机配备中例如键盘,鼠标,软盘机,数字相机,CD/DVD-ROM,随身碟与其它储存设备等均可见其身影.USB接口从1.0版本发展到1.1版本,到现在的2.0版本.速度从原来的15Mbps发展到了480Mbps.将来的3.0版本更加会10倍于现有速度,因此USB接口将来发展必定速度更高,应用更加广泛.同时,USB的EMC问题也显得越来越重要,频率的越来越高使得产品要满足EN 55022/GB9254,EN55024/GB17618越来越困难.下面将就USB接口的EFT抗干扰进行探讨.

一:按照IEC61000-4-4/GB/T17626.4电快速瞬变脉冲群EFT抗扰度试验，目的是验证由切换电感性负载、继电器触点弹跳而引起的各种瞬变骚扰的抗干扰能力。这种试验是一种耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。快速脉冲群是由间隔为300ms的连续脉冲串构成，每一个脉冲串持续15ms，脉冲串由很多单个脉冲的上升沿5ns，持续时间50ns，重复频率5kHz的单个脉冲组成。实验要点：短上升时间，重复率，低能量。

二：USB接口的EFT测试, USB接口同时带有信号线和5Vdc供电线,因此我们仍然选择用电容耦合夹的干扰注入方式。因为耦合/去耦网络中的去耦电容（0.1uF左右），以及去耦电感（＞100μH），会使工作信号发生严重失真，特别是对于USB2.0等高速端口，影响更为严重。从而让实验不能如实反映设备的真实状态。但如果是单独的直流电源线（不含信号线），我们仍旧可以采用耦合/去耦网络来施加干扰。

三:根据EFT测试原理我们可以知道EFT干扰是过耦合板与受试电缆之间的分布电容进入受试电缆，而受试电缆所接收到的脉冲仍然是相对参考接地板来说的。因此，通过耦合夹对受试电缆所施加的干扰是共模性质的。电快速脉冲干扰导致设备失效的机理根据国外学者对脉冲群干扰造成设备失效的机理的研究，单个脉冲的能量较小，不会对设备造成故障。但脉冲群干扰信号对设备线路结电容充电，当上面的能量积累到一定程度之后，就可能引起线路（乃至系统）的误动作。因此，线路出错会有个时间过程，而且会有一定偶然性（不能保证间隔多少时间，线路一定出错，特别是当试验电压达到临界点附近时）。而且很难判断究竟是分别施加脉冲，还是一起施加脉冲，设备更容易失效。也很难下结论设备对于正向脉冲和负向脉冲哪个更为敏感。实践表明，一台设备往往是某一条电缆线，在某一种试验电压，对某个极性特别敏感。实验显示，信号线要比电源线对电快速脉冲干扰敏感得多。对于USB接口产品来说,由于USB起始帧间隔时间为1ms,与EFT干扰信号频率成谐波关系.15个帧很可能在一群15ms的EFT干扰脉冲群中丢失.造成USB连接的丢失.

四:根据EFT干扰的性质,对于EFT抗扰的抑制,我们可以知道加入共模滤波器可以很大程度上解决EFT的问题.但是由于共模滤波器一般用于低速信号的电子产品,不过可能考虑到USB的拓扑和信令方式,USB开发组织并不推荐.除此之外,解决EFT抗扰的方法还可以考虑,1:用TVS进行保护,TVS无论是正还是负干扰,都会通过”桥”的一个控制二极管反应在输出端由TVS进行嵌位,而连接”数据线”的EFT防护是由一个控制二极管和TVS串联组成,它的响应速度极快.极间电容很小,所以是理想的保护模式。市场上也有这类型成熟的集成产品可供使用.2:对于由于EFT干扰使得产品丢失连接的,还可以考虑通过在软件上加入看门狗程序来完成USB的软件插拔过程,使得产品在丢失连接后能自动重新连接上.3:其实大部分EFT问题都是可以通过PCB布线解决的.EFT干扰电流是通过PCB的地层或印制线与参考地之间的寄生电容流动的,其中主要电流会在地层上,因此地层阻抗非常重要,你要处理好地层完整性 ,还有滤过波的信号与没有滤过波的信号之间要防止串扰. 如之间插入屏蔽地线等.使用性能较好的USB连接线,外壳接地等等都有助于EFT的抗扰性能,总之,良好的排版可以避免很多EFT的问题.相应的布线规则在USB的官方开发论坛也有介绍.

深蓝宇从事工控研发十多年，对产品的每一个功能都严格要求，多次测试，让产品稳定性更强。以下就一款适用于多网口、适用于3D鞋模扫描、缺陷检测等行业。以下具体介绍应用于缺陷检测，3D扫描行业的嵌入式工控机PCX-9120：

PCX-9120系列规格介绍
核心功能	处理器	架构	Skylake	Kabylake
		型号	G4400	I3-6100	I5-6500	I7-6700	G4560	I3-7100	I5-7500	I7-7700
		内核	2C2T	2C4T	4C4T	4C8T	2C4T	2C4T	4C4T	4C8T
		主频	3.3Ghz	3.7 Ghz	3.2Ghz	3.40Ghz	3.30Ghz	3.90Ghz	3.4Ghz	3.6Ghz
		缓存	3MB	3MB	6MB	8MB	3MB	3MB	6MB	8MB
		功耗	54W	51W	65W	65W	54W	51W	65W	65W
		以上为主流处理器参考型号，其他处理器型号和规格，请参考INTEL官方网站
	内存	双通道DDR4笔记本内存插槽，最高可支持64G
	操作系统	支持Win 7/Win8.1/Win10/Linux等系统（Kabylake系列处理器不支持WIN7和WIN8.1）
	CHIPSET	H170
电源	供电	DC 12V / 24V输入，根据电子特性推荐使用24V
	启动方式	上电自启/触发开机 可选
	开关I	1个电源指示灯的按钮开关
	开关II	1个凤凰端子备用开关接口
显示功能	显示模式	1个标准DB15的VGA接口，最大分辨率达4096x2304@60H
		1个标准HDMI接口，最大分辨率达4096x2304@24Hz
I/O接口	存储I	1个7+15P SATA接口支持2.5寸SSD和机械式硬盘（128G/256GB/500GB/1TB/2TB可选）
	存储II	1个MINIPCIE接口支持MSATA（32GB/64GB/128GB可选）
	指示灯	1个红色硬盘工作指示LED
	串口I	1个9线RS-232串口
	串口II	1个RS-485串口
	LAN	8个千兆网络
	USBI	4个USB3.0
	USB II	2个USB2.0（内置）
	GPIO	8路GPIO(预留)
	无线通信	一个MINIPCIE接口支持WIFI或4G（内置）
	PS/2	1个鼠标接口和1个键盘接口
看 门 狗	WDT	支持256级（0~255），可编程
电气特征	工作温度	0～50
	存储温度	-20～70
	工作湿度	５％～90％无冷凝
结构	材 质	铝合金外壳
	颜 色	黑色喷砂
	安 装	面板嵌入式/支架壁挂式
	尺寸	290mm*205.5mm*96.5mm（长*宽*高）
	重量	4.4Kg（净重）

参考文献：

1：GB/7 17626.4-1998 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

审核编辑 黄昊宇