手持设备用工业平板的EFT测试分析及整改方法

史佳兆 张国柱 邵瑞添

（库卡机器人（广东）有限公司电控开发部，广东 佛山，528311 ）

0 引言

EFT（Electrical fast transient， 电 快 速 瞬 变 脉冲）测试作为电子产品的一项EMC（Electro Magnetic Compatibility）测试要求，不管是工业领域还是商业领域都有着明确的标准，特别是在工业领域作为产品认证的一项必备要求，在标准IEC61000-4-4[1]和GB17626.4-2018[2]中都有着明确的规定，所以关于EFT的测试及相应的产品整改对策均是极为重要的工作内容，本文重点分析一款工业平板产品在开发中遇到的EFT问题及整改对策。

1 工业手持设备概述

工业手持设备在机器人行业通常叫做示教器，用来手动控制机器人运动，并具有示教编程功能，是工业机器人控制系统的一部分。目前主流的分两种：一种是基于嵌入式系统的大屏幕显示示教器，这种手持器尺寸较大，需要双手操作，功能较强大，屏幕显示清晰，人机交互性较好，但是成本很贵；另一种是手柄式样的，这种一般体积较小，可以单手握，成本低，但是功能较单一。

本文分析的工业手持设备，是基于嵌入式系统的大屏幕显示示教器，其中显示触摸部分用的是工业平板组件，但较手柄式样的结构更简洁，成本更低。本产品主要分为ABS塑料外壳结构部分，内部固定金属底板，PCBA电路板和液晶屏触摸屏组件，功能强大，可靠性高，经过各种严格的测试。

2 EFT测试标准和检测方法

2.1 EFT测试标准

国际标准IEC61000-4-4和我国国际标准GB/T 17799.2-2003[3]、 GB17626.4-2018均对EFT测试有相关规定。其中，GB17626.4-2018对EFT的试验电压波形、试验等级范围、试验设备、试验设备的校准、试验布置、试验程序、结果评定等都做了详细的规定，具体试验电压见表1，试验等级见表2。

表格 1 试验电压

表格 2 试验等级

2.2 标准判据

在GBT17799.2-2003/IEC 61000-6-2 中，对产品是否能通过EFT测试的性能判据做了明确的说明，具体分为三种情况。

判据A: 在试验期间和试验之后，设备应能按预定的方式连续运行。当设备按预定方式使用时，其性能降低和功能丧失不允许低于制造商规定的性能水平，性能水平可以用允许的性能丧失来代替，如果制造商没有规定最低性能水平或者允许丧失的性能，则二者均可从产品说明书和产品文件中得到，或者再设备按预定的方式使用时，从用户的合理期望中得出。

判据B：在试验之后，设备应按预定方式连续运行。当设备按预定方式使用时，其性能降低或者功能丧失不允许低于制造商规定的性能水平。性能水平可以用允许的性能丧失来代替。在试验期间，允许性能降低，但是实际工作状态或者存储数据不允许改变。如果制造商没有规定最低性能水平或者允许丧失的性能，则二者均可以从产品说明书和产品文件中得到，或者再设备按预定的方式使用时，从用户的合理期望中得出。

性能判据C:允许暂时丧失功能，只要这种功能可自行恢复或者可以通过操作控制器来恢复。

2.3 测试方法

具体的测试方法步骤如下：

1）根据标准要求布置设备及相关线缆；

2）在测试设备中输入测试参数；

3）运行测试设备；

4）观察；

5）记录现象；

6）根据判定分析判定；

7）问题整改；

8）复测。

3 测试案例

下面主要分析一款手持工业设备用平板在开发中遇到的问题及整改方法和措施。

3.1 测试步骤

3.1.1 试验布置

测试设备根据GB/T 17626.4-2018第7节布置如图1，将动力线通过电容耦合夹接入被测产品的电源接口和信号接口，电容耦合夹按要求接入EFT测试仪。

图1 测试设备布置

3.1.2 条件参数设置

1）电磁环境条件：实验室的电磁环境不应影响试验结果。

2）终端测试状态：终端应处于开机工作状态。

3）试验频率：5kHz。

4）脉冲个数：75个。

5）脉冲周期：300ms。

6）试验电压：±1kV，±2kV。

7）持续时间：60s, 分为6段进行测试。

8）性能判据，电源输入端口试验电平为：±1 kV，允收A；±2 kV，允收A/B。

3.1.3 功能确认

测试前对待测对象通电，用双指进行不同位置按压测试，特别是同轴位置按压，并进行不同方向划线测试，确保待测对象功能完好。

3.1.4 上电测试

1）在上电测试状态对待测对象屏幕进行双指按压及划线操作，记录现象。

2）设置不同电压，重复测试步骤，记录问题及现象。

3.2 问题及现象记录

对产品进行测试时，笔者发现，在进行1kV、1.5kV、2kV等级测试的时候，触摸屏两指同轴触摸会有跳点现象（见图2），两指按压后出线一条线（正常应该是两个点），三指划线会产生断线（见图3），偏移现象（见图4）。因为该产品是用于机器人操控的，所以这种在干扰状况下产生的非预期反应，会对产品的安全性造成影响，是不被允许的。

3.3 问题分析及整改

3.3.1 问题分析

图2 两指同轴按压跳点现象

图3 三指划线断线现象

图4 三指划线偏移现场

要解决EFT测试不通过的问题，笔者先对EFT产生原理进行分析。EFT即电快速瞬变脉冲，一般是由于电路中开断一些感性负载产生的，但其产生的源头不一定是自身，很多情况下是由于周围环境中的其他设备造成的。它产生的往往是一连串的脉冲，而且脉冲的周期比较短，每个脉冲波的间隔时间较短，对于电路中的输入电容来说，在未完成放电时候又开始充电，所以这样的干扰会有一个累积效应，以至于很容易影响到电子设备的正常使用。

根据EFT的产生原理，笔者分析可能存在以下几个原因。

1）信号线屏蔽问题。从试验方法可知，干扰脉冲耦合进入信号电缆的方式为电容性耦合。消除电容性耦合的方法是将电缆屏蔽起来，并且接地，因此，用电缆屏蔽的方法解决电快速脉冲干扰的条件是电缆屏蔽层能够与试验中的参考地线层可靠连接，如果设备的外壳是金属并且接地的设备，这个条件容易满足；但是本产品采用的是非金属壳体，所以将设备壳体接地的做法行不通，但是可以对线缆进行屏蔽在供电侧进行接地。

2）线缆结构的问题。如果未采用双绞线不太利于干扰的抑制。

3）抗干扰磁环的配置问题。一般的信号线在磁环上绕2～3圈对于抗扰能力不是太弱的设备来说，这种措施的效果还是不错的。

4）敏感器件的屏蔽问题。

5）软件问题。

针对以上原因，笔者逐一进行了分析。经过检查发现，对于上述原因1和原因2，当前产品是满足抗干扰要求的；对于原因3，增加抗干扰磁环的元器件，比如磁环，本产品因空间限制不太适合使用，所以暂不考虑；对于原因4和原因5，笔者发现，产品中的CPU等一些关键部件已经有屏蔽罩，但是触摸屏可能会产生问题，干扰可能存在于TP、液晶屏相关部分。通过对触摸屏和TP的连接排线进行检查、分析，笔者认为LCD造成TP的干扰可能性大，需要从这个方向排查解决问题。

针对上述分析，通过频谱分析仪，笔者看到LCD排线连接处有比较强的信号点冒出，如图5所示。

图5 LCD排线连接处的频谱分布

笔者首先对排线处进行屏蔽处理：

1）将LCD排线屏蔽并接地处理，但是测试结果显示EFT没有得到改善；

2）在LCD排线上增加磁环，跳点概率降低一点，但EFT无明显改善。

因此，笔者分析该连接排线不是EFT问题的根源。

排除了对连接排线的怀疑后，笔者通过TP背景噪声软件对待测设备进行分析，发现底噪冒出来是在TP的左侧，如图6所示。

图6 TP背景噪声分布图

将TP左侧通道屏蔽（不使能工作），则TP底噪低于±50（在50内有很大概率将问题解决），此外使用TP、LCD单体测试，两者分离后，TP底噪低于±50。因此，笔者判定TP的干扰信号是从LCD传过来的。

总结以上分析可知，LCD部分干扰到TP，通常是LCD扫描的时候会有干扰信号冒出来或者背光造成TP干扰，以下针对LCD部分进行整改。

3.3.2 整改措施

笔者依次采取以下处理手段进行排查整改。

1）主板上LCD背光工作使能关掉，TP背景噪声软件扫描分析发现，此时底噪仍然高概率超过±50，因此不是背光造成的。

2）更改LCD扫描方式，通过与LCD厂家沟通，发现LCD扫描方式在出厂时已经固定，不能更改。

3）屏蔽隔离LCD部分干扰信号的方法分析。

①在LCD背面增加导电胶布和海绵贴到散热基板，如图7黑色部分和白色方块部分，测试发现没有改善EFT效果；

②通过频谱扫描LCD基板，笔者发现LCD基板上有较强信号冒出，如图8所示。对此，笔者使用导电胶布将LCD基板和出线部分的LCD全部包裹起来，如图9中所示。

图7 LCD背面单独贴的导电海绵

图 8 LCD基板频率扫描图

图9 在导电布上贴导电海绵

首先，笔者在LCD基板上只贴白色胶带、不加海绵方块：此时频谱扫描检测不到冒点干扰，但是使用TP背景噪声软件扫描发现底噪仍然超过±50，只是超过的概率降低了；使用EFT测试，在2K条件下仍然有调点，同样是出现概率降低了。

③其次，笔者在上述②的基础上贴导电海绵到散热基板，如图9所示，再次进行2K EFT测试，结果两指同轴按压时仍有小概率出现跳点。

④再次，笔者在上述③的基础上将TP包裹住，贴导电布，并且TP基板处增加导电海绵，如图10所示。

图10 将TP包裹住贴导电布及增加导电海绵

3.3.3 整改结果

按照上述整改措施，笔者再次进行EFT测试，在2K条件下，两指同轴按压出现跳点的问题解决了，如图11、图12所示。

图11 双指同轴按压操作图

图12 整改后双指同轴按压效果图

另外，三指画线偏移及断线问题也得到解决，如图13所示。

图13 整改后三指划线效果图

通过以上手段，EFT问题虽然能解决，但是笔者发现，这在产品制造工艺上将会比较繁琐。所以，笔者又对软件算法进行了分析，针对软件参数进行了调整。

最终较好的处理手段是：

1）在硬件上，TP基板包裹导电布并粘贴一个导电海绵到散热基板；

2）在软件上，实测环境中优化触发阈值，优化ADC采样个数，优化跳频频点，优化背景噪声扫描速度参数，扩大抑制参数。

通过以上处理，该手持设备用工业平板达到EFT试验要求，且降低了生产难度。具体硬件处理如图14所示。

图14 TP基板屏蔽包裹及贴导电胶布措施实例

4 结论

通过对ETF测试标准及产生原理的分析，并结合实际的整改案例，笔者发现，对于EFT干扰的问题，一般可以从线的屏蔽、线的结构、抗干扰器件（磁环、磁珠）的设置、干扰源的屏蔽等方面进行分析整改，再结合具体的案例情况一步步排查，将会比较快速地解决问题，另外再配合软件的优化调整，一般都可以达到比较好的解决效果。