手持設備用工業(yè)平板的EFT測試分析及整改方法

史佳兆 張國柱 邵瑞添

（庫卡機器人（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）測試作為電子產品的一項EMC（Electro Magnetic Compatibility）測試要求，不管是工業(yè)領域還是商業(yè)領域都有著明確的標準，特別是在工業(yè)領域作為產品認證的一項必備要求，在標準IEC61000-4-4[1]和GB17626.4-2018[2]中都有著明確的規(guī)定，所以關于EFT的測試及相應的產品整改對策均是極為重要的工作內容，本文重點分析一款工業(yè)平板產品在開發(fā)中遇到的EFT問題及整改對策。

1 工業(yè)手持設備概述

工業(yè)手持設備在機器人行業(yè)通常叫做示教器，用來手動控制機器人運動，并具有示教編程功能，是工業(yè)機器人控制系統(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，功能較強大，屏幕顯示清晰，人機交互性較好，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，但較手柄式樣的結構更簡潔，成本更低。本產品主要分為ABS塑料外殼結構部分，內部固定金屬底板，PCBA電路板和液晶屏觸摸屏組件，功能強大，可靠性高，經(jīng)過各種嚴格的測試。

2 EFT測試標準和檢測方法

2.1 EFT測試標準

國際標準IEC61000-4-4和我國國際標準GB/T 17799.2-2003[3]、 GB17626.4-2018均對EFT測試有相關規(guī)定。其中，GB17626.4-2018對EFT的試驗電壓波形、試驗等級范圍、試驗設備、試驗設備的校準、試驗布置、試驗程序、結果評定等都做了詳細的規(guī)定，具體試驗電壓見表1，試驗等級見表2。

表格 1 試驗電壓

表格 2 試驗等級

2.2 標準判據(jù)

在GBT17799.2-2003/IEC 61000-6-2 中，對產品是否能通過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: 在試驗期間和試驗之后，設備應能按預定的方式連續(xù)運行。當設備按預定方式使用時，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，則二者均可從產品說明書和產品文件中得到，或者再設備按預定的方式使用時，從用戶的合理期望中得出。

判據(jù)B：在試驗之后，設備應按預定方式連續(xù)運行。當設備按預定方式使用時，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。在試驗期間，允許性能降低，但是實際工作狀態(tài)或者存儲數(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，則二者均可以從產品說明書和產品文件中得到，或者再設備按預定的方式使用時，從用戶的合理期望中得出。

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

2.3 測試方法

具體的測試方法步驟如下：

1）根據(jù)標準要求布置設備及相關線纜；

2）在測試設備中輸入測試參數(shù)；

3）運行測試設備；

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）復測。

3 測試案例

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

3.1 測試步驟

3.1.1 試驗布置

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

圖1 測試設備布置

3.1.2 條件參數(shù)設置

1）電磁環(huán)境條件：實驗室的電磁環(huán)境不應影響試驗結果。

2）終端測試狀態(tài)：終端應處于開機工作狀態(tài)。

3）試驗頻率：5kHz。

4）脈沖個數(shù)：75個。

5）脈沖周期：300ms。

6）試驗電壓：±1kV，±2kV。

7）持續(xù)時間：60s, 分為6段進行測試。

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

3.1.3 功能確認

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

3.1.4 上電測試

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

2）設置不同電壓，重復測試步驟，記錄問題及現(xiàn)象。

3.2 問題及現(xiàn)象記錄

對產品進行測試時，筆者發(fā)現(xiàn)，在進行1kV、1.5kV、2kV等級測試的時候，觸摸屏兩指同軸觸摸會有跳點現(xiàn)象（見圖2），兩指按壓后出線一條線（正常應該是兩個點），三指劃線會產生斷線（見圖3），偏移現(xiàn)象（見圖4）。因為該產品是用于機器人操控的，所以這種在干擾狀況下產生的非預期反應，會對產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EFT產生原理進行分析。EFT即電快速瞬變脈沖，一般是由于電路中開斷一些感性負載產生的，但其產生的源頭不一定是自身，很多情況下是由于周圍環(huán)境中的其他設備造成的。它產生的往往是一連串的脈沖，而且脈沖的周期比較短，每個脈沖波的間隔時間較短，對于電路中的輸入電容來說，在未完成放電時候又開始充電，所以這樣的干擾會有一個累積效應，以至于很容易影響到電子設備的正常使用。

根據(jù)EFT的產生原理，筆者分析可能存在以下幾個原因。

1）信號線屏蔽問題。從試驗方法可知，干擾脈沖耦合進入信號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中的參考地線層可靠連接，如果設備的外殼是金屬并且接地的設備，這個條件容易滿足；但是本產品采用的是非金屬殼體，所以將設備殼體接地的做法行不通，但是可以對線纜進行屏蔽在供電側進行接地。

2）線纜結構的問題。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。一般的信號線在磁環(huán)上繞2～3圈對于抗擾能力不是太弱的設備來說，這種措施的效果還是不錯的。

4）敏感器件的屏蔽問題。

5）軟件問題。

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

針對上述分析，通過頻譜分析儀，筆者看到LCD排線連接處有比較強的信號點冒出，如圖5所示。

圖5 LCD排線連接處的頻譜分布

筆者首先對排線處進行屏蔽處理：

1）將LCD排線屏蔽并接地處理，但是測試結果顯示EFT沒有得到改善；

2）在LCD排線上增加磁環(huán)，跳點概率降低一點，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。

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

圖6 TP背景噪聲分布圖

將TP左側通道屏蔽（不使能工作），則TP底噪低于±50（在50內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的干擾信號是從LCD傳過來的。

總結以上分析可知，LCD部分干擾到TP，通常是LCD掃描的時候會有干擾信號冒出來或者背光造成TP干擾，以下針對LCD部分進行整改。

3.3.2 整改措施

筆者依次采取以下處理手段進行排查整改。

1）主板上LCD背光工作使能關掉，TP背景噪聲軟件掃描分析發(fā)現(xiàn)，此時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掃描方式在出廠時已經(jīng)固定，不能更改。

3）屏蔽隔離LCD部分干擾信號的方法分析。

①在LCD背面增加導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基板上有較強信號冒出，如圖8所示。對此，筆者使用導電膠布將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背面單獨貼的導電海綿

圖 8 LCD基板頻率掃描圖

圖9 在導電布上貼導電海綿

首先，筆者在LCD基板上只貼白色膠帶、不加海綿方塊：此時頻譜掃描檢測不到冒點干擾，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條件下仍然有調點，同樣是出現(xiàn)概率降低了。

③其次，筆者在上述②的基礎上貼導電海綿到散熱基板，如圖9所示，再次進行2K EFT測試，結果兩指同軸按壓時仍有小概率出現(xiàn)跳點。

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

圖10 將TP包裹住貼導電布及增加導電海綿

3.3.3 整改結果

按照上述整改措施，筆者再次進行EFT測試，在2K條件下，兩指同軸按壓出現(xiàn)跳點的問題解決了，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)，這在產品制造工藝上將會比較繁瑣。所以，筆者又對軟件算法進行了分析，針對軟件參數(shù)進行了調整。

最終較好的處理手段是：

1）在硬件上，TP基板包裹導電布并粘貼一個導電海綿到散熱基板；

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

通過以上處理，該手持設備用工業(yè)平板達到EFT試驗要求，且降低了生產難度。具體硬件處理如圖14所示。

圖14 TP基板屏蔽包裹及貼導電膠布措施實例

4 結論

通過對ETF測試標準及產生原理的分析，并結合實際的整改案例，筆者發(fā)現(xiàn)，對于EFT干擾的問題，一般可以從線的屏蔽、線的結構、抗干擾器件（磁環(huán)、磁珠）的設置、干擾源的屏蔽等方面進行分析整改，再結合具體的案例情況一步步排查，將會比較快速地解決問題，另外再配合軟件的優(yōu)化調整，一般都可以達到比較好的解決效果。