集成電路的電磁兼容測試

集成電路的電磁相容性正日益受到重視。電子設備和系統供貨商努力改進(jìn)其產(chǎn)品以滿(mǎn)足電磁兼容規格，降低電磁發(fā)射和增強抗干擾能力。過(guò)去，集成電路供貨商關(guān)心的只是成本，應用領(lǐng)域和性能，幾乎很少考慮電磁兼容問(wèn)題。即使單顆集成電路通常不會(huì )產(chǎn)生較大的輻射，但它還是經(jīng)常成為電子系統輻射發(fā)射的根源。當大量的數字訊號瞬間同時(shí)切換時(shí)便會(huì )產(chǎn)生許多高頻分量。

尤其是近年來(lái)，集成電路頻率越來(lái)越高，整合的晶體管數目越來(lái)越多，集成電路的電源電壓越來(lái)越低，芯片特征尺寸進(jìn)一步減小，但越來(lái)越多功能，甚至是一個(gè)完整的系統都能被整合在單一芯片中，這些發(fā)展都使芯片級電磁兼容更加突出?，F在，集成電路供貨商也必須考慮自己產(chǎn)品電磁兼容方面的問(wèn)題。

集成電路電磁兼容的標準化

由于集成電路的電磁兼容是一個(gè)相對較新的學(xué)科，盡管對電子設備及子系統已經(jīng)有了較詳細的電磁兼容標準，但對集成電路來(lái)說(shuō)，其測試標準卻相對滯后。國際電工委員會(huì )第47A技術(shù)分委會(huì )(IEC SC47A)早在1990年就展開(kāi)集成電路的電磁兼容標準研究。此外，北美的汽車(chē)工程協(xié)會(huì )也開(kāi)始制訂自己的集成電路電磁兼容測試標準SAE J 1752，主要著(zhù)重在發(fā)射測試部份。1997年，IEC SC47A所屬的第九工作組WG9成立，專(zhuān)門(mén)研究集成電路電磁兼容測試方法，參考了各國的建議，至今相繼出版了150kHz~1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試標準IEC61967和集成電路電磁抗擾度標準IEC62132。此外，在脈沖抗擾度方面，WG9也正制訂相關(guān)標準IEC62215。

目前，IEC61967標準用于頻率為150kHz~1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試，包括以下六個(gè)部份：

1. 通用條件和定義(參考SAE J1752.1)；
2. 輻射發(fā)射測量方法─TEM小室法(參考SAE J1752.3)；
3. 輻射發(fā)射測量方法─表面掃描法(參考SAE J1752.2)；
4. 傳導發(fā)射測量方法─1Ω/150Ω直接耦合法；
5. 傳導發(fā)射測量方法─法拉第罩法WFC(workbench faraday cage)；
6. 傳導發(fā)射測量方法─磁場(chǎng)探棒法。

IEC62132標準用于頻率為150kHz~1GHz的集成電路電磁抗擾度測試，包括以下五部份：

1. 通用條件和定義；
2. 輻射抗擾度測量方法─TEM小室法；
3. 傳導抗擾度測量方法─大量電流注入法(BCI)；
4. 傳導抗擾度測量方法─直接射頻功率注入法(DPI)；
5. 傳導抗擾度測量方法─法拉第罩法(WFC)。

IEC62215標準用于集成電路脈沖抗擾度測試，包括以下三部份，但尚未正式出版：

1. 通用條件和定義；
2. 傳導抗擾度測量方法─同步脈沖注入法；
3. 傳導抗擾度測量方法─隨機脈沖注入法參考(IEC61000-4-2和IEC61000-4-4)。
   

電磁發(fā)射測試標準IEC61967

通用條件和定義

IEC61967的通用條件和定義包含下列幾項：

傳感器：TEM小室、場(chǎng)探棒等；

頻譜儀或接收機：頻率范圍覆蓋150kHz-1GHz，峰值檢波、具備最大值保持功能，分辨率頻寬的設置如下表：

表1：分辨率頻寬的選擇。

電源：用電池供電或采用低射頻噪音的電源；

測試溫度：23℃±5℃；

環(huán)境噪音：除被測IC外其余外圍電路供電時(shí)，所測到的背景噪音低于限值至少6dB，必要時(shí)可采用前置放大器；

測試電路板：通常集成電路測試需要安裝在一塊印刷電路板上，為提高測試的方便性與重復性，標準規定了電路板的規格，如下圖所示，標準電路板的大小與TEM小室頂端的開(kāi)口大小匹配，板上既可以整合IEC61967發(fā)射測試需要的1Ω/150Ω直接耦合法阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，磁場(chǎng)探棒法測試用的跡線(xiàn)，也可以整合IEC62132-4用到的耦合電容。

圖1：標準集成電路測試板。

TEM小室法

圖2：TEM小室法輻射發(fā)射測試示意圖。

TEM小室其實(shí)就是一個(gè)變型的同軸線(xiàn)：在此同軸線(xiàn)中部，由一塊扁平的芯板作為內導體，外導體為方形，兩端呈錐形向通用的同軸組件過(guò)渡，一頭連接同軸線(xiàn)到測試接收機，另一頭連接匹配負載，如下圖所示。小室的外導體頂端有一個(gè)方形開(kāi)口用于安裝測試電路板。其中，集成電路的一側安裝在小室內側，互聯(lián)機和外圍電路的一側向外。這樣做使測到的輻射發(fā)射主要來(lái)源于被測的IC芯片。受測芯片產(chǎn)生的高頻電流在互連導線(xiàn)上流動(dòng)，那些焊接接腳、封裝聯(lián)機就充當了輻射發(fā)射天線(xiàn)。當測試頻率低于TEM小室的一階高次模頻率時(shí)，只有主模TEM模傳輸，此時(shí)TEM小室端口的測試電壓與干擾源的發(fā)射大小有較好的定量關(guān)系，因此，可用此電壓值來(lái)評定集成電路芯片的輻射發(fā)射大小。

表面掃描法

圖3：表面掃描法測試圖。

IEC 61967標準中的這一部份可測試集成電路表面電場(chǎng)和磁場(chǎng)的空間分布狀態(tài)，測試示意圖如下所示：使用電場(chǎng)探棒或磁場(chǎng)探棒機械地掃過(guò)集成電路的表面，記錄每次的頻率、發(fā)射值和探棒的空間位置，透過(guò)軟件進(jìn)行后處理，各頻率點(diǎn)場(chǎng)強的空間分布圖可用有色圖譜表示。這種方法所能達到的效果與機械定位系統的精確度及所用探棒尺寸密切相關(guān)。此方法可用于一般的PCB，所以未必要采用IEC61967-1中推薦的標準測試電路板。透過(guò)對集成電路表面進(jìn)行電場(chǎng)和磁場(chǎng)掃描，可以準確定位集成電路封裝內電磁輻射過(guò)大的區域。標準推薦使用部份屏蔽的微型電場(chǎng)探棒和單匝的微型磁場(chǎng)探棒，這兩種近場(chǎng)探棒都可用0.5mm的半剛體同軸電纜制作。

1Ω/150Ω直接耦合法

圖4：1Ω/150Ω直接耦合法測試示意圖。

IEC61967-4分為兩種方法：1Ω測試法和150Ω測試法。1Ω測試法用來(lái)測試接地接腳上的總干擾電流，150Ω測試法用來(lái)測試輸出端口的干擾電壓。離開(kāi)芯片的射頻電流匯流到集成電路的接地接腳，因此對地回路射頻電流的測量可較好地反映集成電路的電磁干擾大小。用1Ω的電阻串聯(lián)在地回路中，一方面可用來(lái)取得地回路的射頻電流；另一方面，可實(shí)現測試設備與接地接腳端的阻抗匹配。150Ω測試法可用來(lái)測試單根或多根輸出訊號線(xiàn)的干擾電壓，150Ω阻抗代表線(xiàn)束共模阻抗的統計平均值。為實(shí)現150Ω共模阻抗與50Ω的測試系統阻抗的匹配，必須采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )。測試圖如下所示。

法拉第罩法(WFC)

圖5：法拉第罩法發(fā)射測試示意圖。

法拉第罩法可測試電源線(xiàn)和輸入輸出訊號在線(xiàn)的傳導干擾電壓。將裝有集成電路的標準電路板或應用電路板放入法拉第罩中，電源線(xiàn)和訊號線(xiàn)進(jìn)出法拉第罩都要經(jīng)過(guò)濾波處理，法拉第罩上測試端口接測試儀器，待測端口接50Ω匹配負載，較好的屏蔽環(huán)境降低了測試的背景噪音，測試路徑串聯(lián)100Ω電阻用來(lái)實(shí)現150Ω共模阻抗與50Ω射頻阻抗的匹配，測試原理圖如下所示。

磁場(chǎng)探棒法

圖6：磁場(chǎng)探棒法測試示意圖。

磁場(chǎng)探棒法是透過(guò)測試PCB板導線(xiàn)上的電流來(lái)評定集成電路的電磁發(fā)射。芯片接腳透過(guò)PCB板上的導線(xiàn)與電源或外圍電路相連，它產(chǎn)生的射頻電流可用一個(gè)靠近的磁場(chǎng)探棒獲取，由電磁感應定律，探棒輸出端的電壓正比于導線(xiàn)上的射頻電流。磁場(chǎng)探棒的結構細節和推薦尺寸在標準中有詳細描述，測試圖如下所示：

電磁抗擾度測試法IEC62132

通用條件和定義

為了評定芯片的抗擾度性能，需要一個(gè)易于實(shí)現且可重復的測試方法。芯片的抗擾度可分為輻射抗擾度和傳導抗擾度，需要得到集成電路產(chǎn)生故障時(shí)的射頻功率大小?？箶_度測試將集成電路工作的性能狀態(tài)分為五個(gè)等級，測試時(shí)，連續波和調幅波測試要分別進(jìn)行，調變方式也是采用1kHz 80%調變深度的峰值電平恒定調幅，這些要求都與汽車(chē)零件的抗擾度測試標準ISO11452相似。

TEM小室法

圖7：TEM小室法法輻射抗擾度測試示意圖

IEC61967-2中的TEM小室也可以用來(lái)進(jìn)行抗擾度的測試，小室一端將接收機換成訊號源和功率放大器，小室另一端接適當的匹配負載。在小室中設立起來(lái)的TEM波與遠場(chǎng)的TEM波非常類(lèi)似，適合用來(lái)進(jìn)行電磁抗擾度的測試。此外，為了實(shí)時(shí)地監視集成電路的工作狀態(tài)，還需要配套的狀態(tài)監視設備。測試圖如下：

大量電流注入法(BCI)

圖8：BCI測試示意圖。

本方法是對連接到集成電路接腳的單根纜線(xiàn)或線(xiàn)束注入干擾功率，透過(guò)注入探棒被測電纜由于感性耦合而產(chǎn)生干擾電流，此電流的大小可由另一個(gè)電流探棒測出。這種方法其實(shí)是由汽車(chē)電子抗擾度測試發(fā)展而來(lái)，可參見(jiàn)ISO11452-4，測試圖如下所示：

直接射頻功率注入法(DPI)

圖9：DPI測試示意圖。

與BCI方法采用感性注入相對應，DPI方法采用容性注入。射頻訊號直接注入在芯片單只接腳或一組接腳上，耦合電容同時(shí)具備隔離作用，避免了直流電壓直接加在功率放大器的輸出端，測試示意圖如下所示：

法拉第罩法WFC

圖10：法拉第罩法抗擾度測試示意圖。

法拉第罩傳導抗擾度測量法采用IEC61967-5的法拉第罩，只須將接收機換成訊號源和功率放大器，測試圖如下所示。屏蔽的結構和良好的濾波使射頻干擾訊號被限制在法拉第罩內部，可有效地保護測試作業(yè)人員。

測試系統方案范例

圖11：集成電路電磁發(fā)射測試配置圖。

圖12：集成電路電磁抗擾度測試配置圖。

針對IEC61967的各項測試，RS提出了經(jīng)認證的接收機RS ESCI，結合各種附件，即可完成集成電路電磁發(fā)射測試標準。RS ESCI同時(shí)具有接收機和頻譜儀的功能，完全符合標準CISPR16-1-1。工作頻率范圍是9kHz~3GHz，內建預選器和20dB的前置放大器，具有峰值、準峰值、有效值、線(xiàn)性平均和CISPR平均檢波器，各檢波器可以用條形圖顯示，且具有峰值保持功能，透過(guò)GPIB總線(xiàn)接口可由RS EMC32軟件包實(shí)現遠程控制，發(fā)射測試配置如下圖所示。

針對IEC62132的各項抗擾度測試，RS公司采用整合測試系統RS IMS，結合各種附件，即可完成所有的集成電路抗擾度測試。RS IMS是一款緊密型的測試設備，覆蓋頻率9kHz~3GHz，內建了訊號源、切換開(kāi)關(guān)、功率計和功率放大器，同時(shí)也可控制外部功率放大器；透過(guò)GPIB總線(xiàn)接口可由RS EMC32軟件包實(shí)現遠程控制，抗擾度測試配置如下圖所示。

隨著(zhù)工作頻率及芯片復雜度的不斷成長(cháng)，集成電路電磁輻射及抗擾度測試也必須持續發(fā)展以適應新的要求：測試向高頻方向發(fā)展，為了突破1GHz的限制，不少?lài)液推髽I(yè)已經(jīng)采用GTEM小室法，彌補TEM小室測試頻率限值的不足；脈沖抗擾度測試的標準化也正進(jìn)行中。即將出版的標準IEC62215將能與IEC62132互補，預計將更全面地考慮集成電路遭受電磁干擾時(shí)的情形。