原创 半导体设备中的抗干扰技术

1 引言

随着微电子工业与先进制造技术的发展，半导体设备精度和自动化控制程度越来越高，芯片产量越来越大，半导体设备由原来的实验型向生产型转化，这对半导体设备的可靠性与可重复性提出了更高的要求。

工业环境干扰纷杂，诸如空间电磁波的污染、电网瞬变造成的电气公害、内部寄生振荡和接触不良等。干扰是造成半导体设备控制系统故障的重要原因之一，它可以造成控制系统发出错误指令直至系统瘫痪，执行元件错误动作，严重的可能损坏设备。因此，采用抗干扰措施是提高系统可靠性的重要手段。清除干扰必须抓住形成干扰的三要素：干扰源、干扰途径、干扰易受体。

2 干扰源及干扰藕合通道[1]

(1)干扰源主要包括外部干扰和内部干扰。外部干扰主要是切断感性负载产生的瞬变电压脉冲、可控硅通断时di/dt和dv/dt造成等，形成工业电网瞬变干扰、由电气设备的电弧和火花放电形成的高频电磁波干扰。内部干扰主要是接地电位所形成的地环流、虚焊和接触不良等。

(2)干扰藕合通道主要有传导藕合、静电藕合、互感藕合、电磁辐射藕合等。对于半导体设备而言，干扰进入的主要通道是交流电源、高频电源与信号、输入输出通道、接地线等。

3 抗干扰原则

抗干扰就是针对干扰的产生、性质、传播途径、侵入位置和形式，采取适当的方法消除干扰源、抑制干扰途径、降低控制系统对干扰的敏感性。

3．1 消除干扰源

通常采用压敏电阻和RC电路吸收浪涌电压、消除电弧和火花放电干扰。如在继电器、接触器触点两端并接RC吸收电路，消除火花放电。

3．2 抑制干扰藕合途径

采用光电耦合器、隔离变压器、滤波器、限幅器等切断"路"形式的藕合通道。采用浮置技术，阻断干扰电流通路。改善接地方式，避免共阻抗藕合。采用屏蔽抑制"场"形式的藕合通道。

3．3 减弱电路对噪声干扰的敏感性

采用对称结构的平衡电路，如电桥和差分放大器，可使干扰在电路中自行消失：降低电路输入阻抗，可减低噪声的影响；使用双绞线传输信号，以消弱电路对干扰的敏感；电路中引用负反馈，对抑制内部噪声十分有效。

4 硬件抗干扰措施

4．1 电源净化设计

交流电源干扰是半导体设备控制系统的严重问题。对于大型贵重设备，多采用UPS，UPS不仅有稳压作用，干扰较少，还能解决掉电的后顾之忧。缺点是造价和使用费用高、体积大。对于普通半导体设备，通常可以采用图l所示的供电配置。交流稳压器可以保证供电的稳定性，防止电源系统的过压与欠压，有利于提高整个系统的可靠性。对于电源瞬变，稳压技术主要包括磁饱和稳压技术、抽头开关技术、正弦能量分配技术、参数稳压技术、逆变技术。关于交流稳压器，已有成熟技术与产品，在此不再详述。高频噪声主要产生于变压器初次级寄生藕合，而非互感藕合，所以采用隔离变压器可以提高抗共模干扰能力。电源系统的干扰源主要是高次谐波，因此，采用低通滤波可以让50 Hz市电通过，滤掉高次谐波，改善电源波形。低压大电流情况下，应采用小电感大电容构成的滤波网络，高压小电流时，应采用小电容大电感构成滤波网络。为PLC、SLC、SCS和PC供电，则采用开关电源提供。

4．2 输入输出通道干扰的抑制

通常测控对象上的传感器、执行器远离控制台，输入输出导线较长，容易串入干扰，必须采用隔离、滤波、屏蔽等技术，抑制干扰藕合通道。

4．2．1 隔离技术

隔离技术包括物理隔离和光电隔离。物理隔离是指在低电平小信号场合，信号连线应尽量远离高电平大功率和高频导线，以减少噪声和电磁场的干扰。在设备内部，也应该将这几类导线分开走线。光电隔离的目的是割断2个电路的电联系，使之相互独立，从而切断噪声从一个电路进入另一个电路的通道。光电隔离通过光电藕合器实现，如图2所示，输入信号使发光二极管发光，其光线又使光敏三极管导通，从而完成信号传递。在半导体设备中，多用光电藕合器隔离高低压、高低频电路。光电藕合器输入输出端在电气上是绝缘的，而且输出端对输入端无反馈，所以具有隔离和抗干扰的性能。

4．2．2 A/D转换抗干扰策略

A/D转换抗干扰包括抗差模干扰和抗共模干扰。抗差模干扰通常有三种办法：一是采用输入滤波器；二是电平均值，利用积分式或双积分式A/D转换器的积分特性，减少瞬间干扰和高频噪声的影响，对低频干扰，可选取同步采样频率为干扰频率整数倍的方法，使其正负半波在积分过程中相抵消；三是模拟信号输入选用双绞屏蔽绝缘线。当传感器与A/D转换器相距较远时，可用电流传输替代电压传输，如图3所示。抗共模干扰采用双端对称输入差动放大器，在此基础上，采取浮置输入，可大大减少共模干扰电流。此外，模拟信号线与数字信号线，输入与输出线均应分开，尽量远离动力线。

4．2.3 反电动势干扰的抑制[2]

电机、变压器、继电器、电磁阀等感性负载在半导体设备中广泛使用，动作时会产生高达千伏量级的反电动势，不仅产生高频电磁波干扰其他电路，甚至可能击穿电路晶体管之类的器件。抑制此类干扰可用可控硅并联压敏电阻或RC网络组成的电路吸收瞬变电压。

4．2．4 屏蔽技术[3]

交流电源、强电设备产生的电火花以及雷电，都能产生电磁波，从而成为电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感藕合到信号回路形成电磁干扰；当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。

屏蔽是一种用以减小设备之间或设备内部各部分之间辐射干扰的去耦技术，其目的主要有两点：其一是将辐射限制于规定的区域；二是阻止辐射进入规定的区域。凡是属于场的干扰都可用屏蔽方法来削弱以确保设备的正常工作。为了有效发挥屏蔽体的作用，还要注意屏蔽体的接地问题。具体见本文接地技术部分论述。

4．2．5 传输线的抗干扰设计

分布式控制系统通常具有多种控制信号，传送信号不同，则选用的传输线也不同，不同信号的传输线选择如下：

a．模拟量信号对高频脉冲信号的抗干扰能力是很差的，外界的各种干扰信号都可以直接迭加在模拟信号上，影响其幅值的大小。建议采用屏蔽双绞线连接。

b．低电平的开关信号、数据通信线路(RS-232、RS-485等)，对低频脉冲信号的抗干扰能力比模拟信号要强，建议采用屏蔽双绞线(至少用双绞线)连接。

c．高电平(或大电流)开关量的输入输出及其他继电器输入输出信号的抗干扰能力强于模拟信号及低电平开关信号、数字信号，但会干扰别的信号，故建议采用双绞线连接。

d．数字脉冲信号的频率一般较高，容易受外界高频感应电压影响，它在传输过程中也会产生电磁干扰，因此，应选用屏蔽电缆传送脉冲信号。

e．供电线及大通断能力的断路器、开关信号线，这些电缆选择主要是由电流负载和电压等级决定。

4．2．6 接地技术

地电位变化是产生干扰的主要原因之一，正确的接地不但具有抗干扰的作用，而且可以确保人身和设备安全，必须加以重视。以下是设备生产和维修中的接地原则：

a．交流地即电网中性点，即零线。三相不平衡电流使零线产生压降，此即干扰源，因此不能作为公共地线。

b．机壳接地。

c．信号地包括模拟地、逻辑地。为避免逻辑地电流对模拟小信号的干扰，模拟地与逻辑地应分开并通过"一点接地"技术相连，如图4所示。

d．双绞线和同轴电缆的接地如图5所示。

e．屏蔽体接地：采用带屏蔽的双绞线时，应注意屏蔽体和工作地的良好连接，而且只能在一点接地，否则屏蔽体两端就会形成回路，形成较大噪声电流，从而在双绞线上感应出噪声电压。带屏蔽层的变压器，使用时应使初级屏蔽与变压器的初级绕组交流零线相连；中间屏蔽层与次级屏蔽层和次级绕组零线相连。如图6，图7所示。

5 软件方面抗干扰措施

(1)系统上电自诊功能，在系统启动时，CPU进行上电复位，在系统初始化程序中要添加相应的程序代码，以便CPU对其自身及外围部件进行检测和诊断，如果发现异常，则要及时发出报警信息，并转入待机状态，以等待操作人员进行修复。

(2)采用科学的控制算法和结构化程序设计方法，将系统所要实现的功能分解为若干个独立的标准模块，并保证1个模块只有唯一的输入和输出接口，这样可使所设计的程序条理更清晰，并具有较好的可维护性和升级性。

(3)选用科学的数据采样方法为保证输入数据的准确性，防止一些随机信号的干扰，在输入数据采样时，可采用连续采样的方法，从中取出1组数值相近的值，然后求平均，以得到1个最理想的采样值。

(4)合理地设置看门狗(Watchdog)程序设置看门狗可避免程序的死循环或跑飞，方法是利用定时器中断实现周期性程序监控机制，在系统程序中每隔一定步长设置相应的定时器复位指令，系统正常时，由于定时器的设定时间大于间隔程序段的执行时间，定时器定时时间未到即被程序中的相应复位指令强行复了位，所以不会出现定时器中断的情况，除非遇到死等故障而执行不到相应复位指令时，定时器才可中断，从而终止系统的错误运行。

6 结论

在半导体设备设计、制造及维修中，干扰无处不在，危害非常严重，以上方法在的减少干扰的产生，切断干扰途径，保护易感受体方面被证明是行之有效的。