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集成电路的电磁兼容测试 |
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作者：罗德施瓦茨中国有限公司 丁丁 |
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当今，集成电路的电磁兼容性越来越受到重视。电子设备和系统的生产商努力改进他们的产品以满足电磁兼容规范，降低电磁发射和增强抗干扰能力。过去，集成电路生产商关心的只是成本，应用领域和使用性能，几乎很少考虑电磁兼容的问题。即使单片集成电路通常不会产生较大的辐射，但它还是经常成为电子系统辐射发射的根源。当大量的数字信号瞬间同时切换时便会产生许多的高频分量。
尤其是近年来，集成电路的频率越来越高，集成的晶体管数目越来越多，集成电路的电源电压越来越低，加工芯片的特征尺寸进一步减小，越来越多的功能，甚至是一个完整的系统都能够被集成到单个芯片之中，这些发展都使得芯片级电磁兼容显得尤为突出。现在，集成电路生产商也要考虑自己产品电磁兼容方面的问题。
集成电路电磁兼容的标准化
由于集成电路的电磁兼容是一个相对较新的学科，尽管对于电子设备及子系统已经有了较详细的电磁兼容标准，但对于集成电路来说其测试标准却相对滞后。国际电工委员会第47A技术分委会(IEC SC47A)早在1990年就开始专注于集成电路的电磁兼容标准研究。此外，北美的汽车工程协会也开始制定自己的集成电路电磁兼容测试标准SAE J 1752，主要是发射测试的部分。1997年，IEC SC47A下属的第九工作组WG9成立，专门负责集成电路电磁兼容测试方法的研究，参考了各国的建议，至今相继出版了150kHz－1GHz的集成电路电磁发射测试标准IEC61967和集成电路电磁抗扰度标准IEC62132 。此外，在脉冲抗扰度方面，WG9也正在制定对应的标准IEC62215。
目前，IEC61967标准用于频率为150kHz到1GHz的集成电路电磁发射测试，包括以下六个部分：
第一部分：通用条件和定义(参考SAE J1752.1)；
第二部分：辐射发射测量方法——TEM小室法(参考SAE J1752.3)；
第三部分：辐射发射测量方法——表面扫描法(参考SAE J1752.2)；
第四部分：传导发射测量方法——1Ω/150Ω直接耦合法；
第五部分：传导发射测量方法——法拉第笼法WFC(workbench faraday cage)；
第六部分：传导发射测量方法——磁场探头法。
IEC62132标准，用于频率为150kHz到1GHz的集成电路电磁抗扰度测试，包括以下五部分：
第一部分：通用条件和定义；
第二部分：辐射抗扰度测量方法—— TEM小室法 ；
第三部分：传导抗扰度测量方法——大量电流注入法(BCI) ；
第四部分：传导抗扰度测量方法——直接射频功率注入法(DPI) ；
第五部分：传导抗扰度测量方法——法拉第笼法(WFC)。
IEC62215标准，用于集成电路脉冲抗扰度测试，包括以下三部分，但尚未正式出版：
第一部分：通用条件和定义；
第二部分：传导抗扰度测量方法——同步脉冲注入法 ；
第三部分：传导抗扰度测量方法——随机脉冲注入法参考(IEC61000-4-2和IEC61000-4-4) 。
下文主要针对IEC61967 和IEC62132的测试方法进行讲解。
集成电路电磁兼容测试方法
电磁发射测试标准——IEC61967
第一部分：通用条件和定义
传感器：TEM小室、场探头等；
频谱仪或接收机：频率范围覆盖150kHz-1GHz，峰值检波、带最大值保持功能，分辨率带宽的设置如下表：表一 分辨率带宽的选择
 电源：用电池供电或采用低射频噪声的电源；
测试温度：23℃±5℃；
环境噪声：除被测IC外其余外围电路供电时，所测到的背景噪声低于限值至少6dB，必要时可采用前置放大器；
测试电路板：通常集成电路测试需要安装在一块印制电路板上，为提高测试的方便性与重复性，标准规定了电路板的规格，如下图所示，标准电路板的大小与TEM小室顶端的开口大小匹配，板上既可以集成IEC61967发射测试需要的1Ω/150Ω直接耦合法阻抗匹配网络，磁场探头法测试用的迹线，也可以集成IEC62132-4用到的耦合电容。
图一 标准集成电路测试板
第二部分：辐射发射测量方法——TEM小室法
图二 TEM小室法辐射发射测试示意图
TEM小室其实就是一个变型的同轴线：在此同轴线中部，由一块扁平的芯板作为内导体，外导体为方形，两端呈锥形向通用的同轴器件过渡，一头连接同轴线到测试接收机，另一头连接匹配负载，如下图所示。小室的外导体顶端有一个方形开口用于安装测试电路板。其中，集成电路的一侧安装在小室内侧，互连线和外围电路的一侧向外。这样做使测到的辐射发射主要来源于被测的IC芯片。受测芯片产生的高频电流在互连导线上流动，那些焊接引脚、封装连线就充当了辐射发射天线。当测试频率低于TEM小室的一阶高次模频率时，只有主模TEM模传输，此时TEM小室端口的测试电压与骚扰源的发射大小有较好的定量关系，因此，可用此电压值来评定集成电路芯片的辐射发射大小。
第三部分：辐射发射测量方法——表面扫描法
图三 表面扫描法测试图
IEC 61967标准中的这一部分可测试集成电路表面电场和磁场的空间分布状态，测试示意图如下所示：使用电场探头或磁场探头机械地扫过集成电路的表面，记录每次的频率、发射值和探头的空间位置，通过软件进行后处理，各频率点场强的空间分布图可用有色图谱形象地表示出来。这种方法所能达到的效果与机械定位系统的精度及所用探头的尺寸密切相关。此方法可以用于一般的PCB板，所以未必要采用IEC61967-1中推荐的标准测试电路板。通过对集成电路表面进行电场和磁场扫描，可以准确地定位集成电路封装内电磁辐射过大的区域。标准推荐使用部分屏蔽的微型电场探头和单匝的微型磁场探头，这两种近场探头都可用0.5mm的半刚体同轴电缆制作。
第四部分：传导发射测量方法——1Ω/150Ω直接耦合法
图四 1Ω/150Ω直接耦合法测试示意图
IEC61967－4分为两种方法：1Ω测试法和150Ω测试法。1Ω测试法用来测试接地引脚上的总骚扰电流，150Ω测试法用来测试输出端口的骚扰电压。离开芯片的射频电流汇流到集成电路的接地引脚，因此对地回路射频电流的测量可较好地反映集成电路的电磁骚扰大小。用1Ω的电阻串联在地回路中，一方面可用来取得地环路的射频电流；另一方面，可实现测试设备与接地引脚端的阻抗匹配。150Ω测试法可用来测试单根或多根输出信号线的骚扰电压，150Ω阻抗代表线束共模阻抗的统计平均值。为实现150Ω共模阻抗与50Ω的测试系统阻抗的匹配，必须采用阻抗匹配网络。测试示意图如下所示。
第五部分：传导发射测量方法——法拉第笼法(WFC) 
图五 法拉第笼法发射测试示意图
法拉第笼法可测试电源线和输入输出信号线上的传导骚扰电压。将装有集成电路的标准电路板或应用电路板放入法拉第笼中，电源线和信号线进出法拉第笼都要经过滤波处理，法拉第笼上测试端口接测试仪器，待测端口接50Ω匹配负载，较好的屏蔽环境降低了测试的背景噪声，测试路径串联100Ω电阻用来实现150Ω共模阻抗与50Ω射频阻抗的匹配，测试原理图如下所示。
第六部分：传导发射测量方法——磁场探头法
图六 磁场探头法测试示意图
磁场探头法是通过测试PCB板导线上的电流来评定集成电路的电磁发射。芯片引脚通过PCB板上的导线与电源或外围电路相连，因而它产生的射频电流可用一个靠近的磁场探头获取，由电磁感应定律，探头输出端的电压正比于导线上的射频电流。磁场探头的结构细节和推荐尺寸在标准中有详细描述，测试示意图如下所示：
集成电路电磁抗扰度测试方法——IEC62132
第一部分：通用条件和定义
为了评定芯片的抗扰度性能，需要一个易于实现且可复现的测试方法。芯片的抗扰度可分为辐射抗扰度和传导抗扰度，需要得到集成电路发生故障时的射频功率大小。抗扰度测试将集成电路工作的性能状态分为五个等级，测试时，连续波和调幅波测试要分别进行，调制方式也是采用1kHz 80％调制深度的峰值电平恒定调幅，这些要求都与汽车零部件的抗扰度测试标准ISO11452相似。
第二部分：辐射抗扰度测量方法—— TEM小室法
图七 TEM小室法法辐射抗扰度测试示意图
IEC61967-2中的TEM小室也可以用来进行抗扰度的测试，小室一端将接收机换成信号源和功放，小室另一端接适当的匹配负载。在小室中建立起来的TEM波与远场的TEM波非常类似，因而适合用来进行电磁抗扰度的测试。此外，为了实时地监视集成电路的工作状态，还需要配套的状态监视设备。测试示意图如下：
第三部分：传导抗扰度测量方法——大量电流注入法(BCI) 
图八 BCI测试示意图
本方法是对连接到集成电路引脚的单根线缆或线束注入干扰功率，通过注入探头被测电缆由于感性耦合而产生干扰电流，此电流的大小可由另一个电流探头测出。这种方法其实是由汽车电子抗扰度测试发展而来的,可参见ISO11452-4，测试示意图如下所示：
第四部分：传导抗扰度测量方法——直接射频功率注入法(DPI)
图九 DPI测试示意图
与BCI方法采用感性注入相对应，DPI方法采用容性注入。射频信号直接注入在芯片单只引脚或一组引脚上，耦合电容同时起到了隔直的作用，避免了直流电压直接加在功放的输出端，测试示意图如下所示：
第五部分：传导抗扰度测量方法——法拉第笼法WFC
图十 法拉第笼法抗扰度测试示意图
法拉第笼传导抗扰度测量法采用IEC61967－5的法拉第笼，只须将接收机替换成信号源和功放，测试示意图如下所示。屏蔽的结构和良好的滤波使得射频干扰信号被限制在法拉第笼内部，可有效地保护测试操作人员。
R&S公司的测试系统解决方案
针对IEC61967的各项测试，R&S公司采用认证型的接收机R&S ESCI，结合各种附件，即可完成集成电路电磁发射测试标准。R&S ESCI同时具有接收机和频谱仪的功能，完全符合标准CISPR16-1-1。工作频率范围是9kHz-3GHz，内置预选器和20dB的预放，带有峰值、准峰值、有效值、线性平均和CISPR平均检波器，各检波器可以用条形图显示，且带有峰值保持功能，通过GPIB总线接口可由R&S EMC32软件包实现远程控制，发射测试配置如下图所示：
图十一 集成电路电磁发射测试配置图
针对IEC62132的各项抗扰度测试，R&S公司采用集成测试系统R&S IMS，结合各种附件，即可完成所有的集成电路抗扰度测试。R&S IMS是一款紧凑型的测试设备，覆盖频率9 kHz 到3 GHz，内置了信号源、切换开关、功率计和功放，同时也可控制外置功放；通过GPIB总线接口可由R&S EMC32软件包实现远程控制，抗扰度测试配置如下图所示。 
图十二 集成电路电磁抗扰度测试配置图
随着工作频率及芯片复杂度的不断增长，集成电路电磁辐射及抗扰度测试也需要继续发展以适应新的要求：测试向高频方向发展，为了突破1GHz的限值，不少国家和企业已经采用GTEM 小室的方法，弥补TEM 小室测试频率限值的不足；脉冲抗扰度测试的标准化也正在进行中，标准IEC62215即将出版，与IEC62132互补，更加全面地考虑到了集成电路遭受电磁干扰时的情形。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/19/2007) |
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