集成電路地電磁兼容測試

1、集成電路的電磁兼容測試當(dāng)今，集成電路 的電磁兼容 性越來越受到重視。電子設(shè)備和系統(tǒng)的生產(chǎn)商努力改進(jìn)他們的 產(chǎn)品以滿足電磁兼容規(guī)范，降低電磁發(fā)射和增強(qiáng)抗干擾能力。過去，集成電路生產(chǎn)商關(guān)心 的只是成本，應(yīng)用領(lǐng)域和使用性能，幾乎很少考慮電磁兼容的問題。即使單片集成電路通 常不會產(chǎn)生較大的輻射，但它還是經(jīng)常成為電子系統(tǒng)輻射發(fā)射的根源。當(dāng)大量的數(shù)字信號 瞬間同時切換時便會產(chǎn)生許多的高頻分量。尤其是近年來，集成電路的頻率越來越高，集成的晶體管數(shù)目越來越多，集成電路的電源 電壓越來越低，加工芯片的特征尺寸進(jìn)一步減小，越來越多的功能，甚至是一個完整的系 統(tǒng)都能夠被集成到單個芯片之中，這些發(fā)展都使得芯片級電磁兼

2、容顯得尤為突出?，F(xiàn)在， 集成電路生產(chǎn)商也要考慮自己產(chǎn)品電磁兼容方面的問題。集成電路電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)化由于集成電路的電磁兼容是一個相對較新的學(xué)科，盡管對于電子設(shè)備及子系統(tǒng)已經(jīng)有了較詳細(xì)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，但對于集成電路來說其測試標(biāo)準(zhǔn)卻相對滯后。國際電工委員會第 47A技術(shù)分委會（IEC SC47A）早在1990年就開始專注于集成電路的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)研究。 此外，北美的汽車工程協(xié)會也開始制定自己的集成電路電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)SAE J 1752 ，主要是發(fā)射測試的部分。1997年，IEC SC47A 下屬的第九工作組 WG9成立，專門負(fù)責(zé)集成電路電磁兼容測試方法的研究，參考了各國的建議，至今相繼出版了 150

3、kHz 1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61967和集成電路電磁抗擾度標(biāo)準(zhǔn)IEC62132 。此外，在脈沖抗擾度方面，WG9也正在制定對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) IEC62215 。目前，IEC61967標(biāo)準(zhǔn)用于頻率為 150kHz到1GHz的集成電路電磁發(fā)射測試，包括以下 六個部分：第一部分：通用條件和定義（參考SAE J1752.1）;第二部分：輻射發(fā)射測量方法一一TEM小室法（參考SAE J1752.3）;第三部分：輻射發(fā)射測量方法一一表面掃描法（參考SAE J1752.2）;第四部分：傳導(dǎo)發(fā)射測量方法一一1Q /150 Q直接耦合法；第五部分：傳導(dǎo)發(fā)射測量方法法拉第籠法 WFC（workben

4、ch faraday cage） ;第六部分：傳導(dǎo)發(fā)射測量方法一一磁場探頭法。IEC62132標(biāo)準(zhǔn)，用于頻率為 150kHz到1GHz的集成電路電磁抗擾度測試，包括以下五 部分：第一部分：通用條件和定義；第二部分：輻射抗擾度測量方法一一TEM小室法；第三部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法一一大量電流注入法（BCI）;第四部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法一一直接射頻功率注入法（DPI）；第五部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法一一法拉第籠法（WFC）。IEC62215標(biāo)準(zhǔn)，用于集成電路脈沖抗擾度測試，包括以下三部分，但尚未正式出版：第一部分：通用條件和定義；第二部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法同步脈沖注入法 ；第三部分：傳導(dǎo)抗擾度測

5、量方法一一隨機(jī)脈沖注入法參考（IEC61000-4-2和IEC61000-4-4）。下文主要針對IEC61967 和IEC62132的測試方法進(jìn)行講解。集成電路電磁兼容測試方法電磁發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn) 一一IEC61967第一部分：通用條件和定義傳感器：TEM小室、場探頭等；頻譜儀或接收機(jī)：頻率范圍覆蓋150kHz-1GHz，峰值檢波、帶最大值保持功能，分辨率帶寬的設(shè)置如下表：測儀壽150kHz-30MHz巧 GF10kHlOOkHj接收機(jī)僅d日）9kHz12ORH2表一分辨率帶寬的選擇電源：用電池供電或采用低射頻噪聲的電源；測試溫度：23 °C d5 C;環(huán)境噪聲：除被測IC外其余外圍電路

6、供電時，所測到的背景噪聲低于限值至少6dB，必要時可采用前置放大器；測試電路板：通常集成電路測試需要安裝在一塊印制電路板上，為提高測試的方便性與重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電路板的規(guī)格，如下圖所示，標(biāo)準(zhǔn)電路板的大小與TEM小室頂端的開口大小匹配，板上既可以集成IEC61967發(fā)射測試需要的1Q/150 Q直接耦合法阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，磁場探頭法測試用的跡線，也可以集成IEC62132-4用到的耦合電容。Pitted edgtLayiej? pawtrLaytM gi&unl5 mui1 6 normalf0.75 imxMl gm的gd Uyris 丸”山乂 le-ctrscd nan0cciniif

7、ftDUT pin ftace*Og Vtas COTUUPCt ky-r I uafL 4lOOinut <+U|)AU ndfLcbOh ：J ratrip itirnlf fKill« on iht Jid* of th* PCBoppontj the OUTDUA圖一標(biāo)準(zhǔn)集成電路測試板第二部分：輻射發(fā)射測量方法 一一TEM小室法Slop Of VMSIo l»yw4 around lb j enplipry <?f I hrHoles a 論 uortit站 vn vplionalIC Test BoardIC Test Board50 OhmTermi

8、nakoiiPreamplifierTEM CeU圖二 TEMPreamplifier(optional)(optional)小室法輻射發(fā)射測試示意圖Spectnnu Aiialyzer or EMI ReceiverTEM小室其實(shí)就是一個變型的同軸線：在此同軸線中部，由一塊扁平的芯板作為內(nèi)導(dǎo)體， 外導(dǎo)體為方形，兩端呈錐形向通用的同軸器件過渡，一頭連接同軸線到測試接收機(jī)，另一 頭連接匹配負(fù)載，如下圖所示。小室的外導(dǎo)體頂端有一個方形開口用于安裝測試電路板。 其中，集成電路的一側(cè)安裝在小室內(nèi)側(cè)，互連線和外圍電路的一側(cè)向外。這樣做使測到的 輻射發(fā)射主要來源于被測的IC芯片。受測芯片產(chǎn)生的高頻電流在互

9、連導(dǎo)線上流動，那些焊接引腳、封裝連線就充當(dāng)了輻射發(fā)射天線。當(dāng)測試頻率低于TEM小室的一階高次模頻率時，只有主模TEM模傳輸，此時TEM小室端口的測試電壓與騷擾源的發(fā)射大小有較好 的定量關(guān)系，因此，可用此電壓值來評定集成電路芯片的輻射發(fā)射大小。第三部分：輻射發(fā)射測量方法一一表面掃描法圖三表面掃描法測試圖IEC 61967標(biāo)準(zhǔn)中的這一部分可測試集成電路表面電場和磁場的空間分布狀態(tài)，測試示意 圖如下所示：使用電場探頭或磁場探頭機(jī)械地掃過集成電路的表面，記錄每次的頻率、發(fā) 射值和探頭的空間位置，通過軟件進(jìn)行后處理，各頻率點(diǎn)場強(qiáng)的空間分布圖可用有色圖譜 形象地表示出來。這種方法所能達(dá)到的效果與機(jī)械定位系

10、統(tǒng)的精度及所用探頭的尺寸密切 相關(guān)。此方法可以用于一般的PCB板，所以未必要采用IEC61967-1中推薦的標(biāo)準(zhǔn)測試電路板。通過對集成電路表面進(jìn)行電場和磁場掃描，可以準(zhǔn)確地定位集成電路封裝內(nèi)電磁 輻射過大的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)推薦使用部分屏蔽的微型電場探頭和單匝的微型磁場探頭，這兩種 近場探頭都可用 0.5mm的半剛體同軸電纜制作。第四部分：傳導(dǎo)發(fā)射測量方法一一1Q /150 Q直接耦合法IEC61967 4分為兩種方法：1 Q測試法和150 Q測試法。1 Q測試法用來測試接地引腳上的總騷擾電流，150Q測試法用來測試輸出端口的騷擾電壓。離開芯片的射頻電流匯流到 集成電路的接地引腳， 因此對地回路射頻電

11、流的測量可較好地反映集成電路的電磁騷擾大 小。用1Q的電阻串聯(lián)在地回路中，一方面可用來取得地環(huán)路的射頻電流；另一方面，可實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備與接地引腳端的阻抗匹配。150 Q測試法可用來測試單根或多根輸出信號線的騷擾電壓，150Q阻抗代表線束共模阻抗的統(tǒng)計(jì)平均值。為實(shí)現(xiàn)150Q共模阻抗與50Q的測試系統(tǒng)阻抗的匹配，必須采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。測試示意圖如下所示。EMI receiver or speirum analyzerFerritefeedthroighSignal sourceSupplySupplysourceoutputAuxiliaryload第五部分：傳導(dǎo)發(fā)射測量方法一一法拉第籠法（WFC）

12、custom or application PCB圖五法拉第籠法發(fā)射測試示意圖法拉第籠法可測試電源線和輸入輸出信號線上的傳導(dǎo)騷擾電壓。將裝有集成電路的標(biāo)準(zhǔn)電路板或應(yīng)用電路板放入法拉第籠中，電源線和信號線進(jìn)出法拉第籠都要經(jīng)過濾波處理，法 拉第籠上測試端口接測試儀器，待測端口接50Q匹配負(fù)載，較好的屏蔽環(huán)境降低了測試的背景噪聲，測試路徑串聯(lián)100Q電阻用來實(shí)現(xiàn)150Q共模阻抗與50Q射頻阻抗的匹配,測試原理圖如下所示。第六部分：傳導(dǎo)發(fā)射測量方法一一磁場探頭法£3field probtt-n-1Supplysource圖六磁場探頭法測試示意圖磁場探頭法是通過測試PCB板導(dǎo)線上的電流來評定集

13、成電路的電磁發(fā)射。芯片引腳通過PCB板上的導(dǎo)線與電源或外圍電路相連，因而它產(chǎn)生的射頻電流可用一個靠近的磁場探頭獲取，由電磁感應(yīng)定律，探頭輸出端的電壓正比于導(dǎo)線上的射頻電流。磁場探頭的結(jié)構(gòu)細(xì) 節(jié)和推薦尺寸在標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)描述，測試示意圖如下所示：集成電路電磁抗擾度測試方法一一IEC62132 第一部分：通用條件和定義為了評定芯片的抗擾度性能，需要一個易于實(shí)現(xiàn)且可復(fù)現(xiàn)的測試方法。芯片的抗擾度可分 為輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度，需要得到集成電路發(fā)生故障時的射頻功率大小。抗擾度測試 將集成電路工作的性能狀態(tài)分為五個等級，測試時，連續(xù)波和調(diào)幅波測試要分別進(jìn)行，調(diào) 制方式也是采用 1kHz 80 %調(diào)制深度的峰

14、值電平恒定調(diào)幅，這些要求都與汽車零部件的抗 擾度測試標(biāo)準(zhǔn)ISO11452相似。第二部分：輻射抗擾度測量方法一一TEM小室法RF DtstUTbance SourceEMC Tesi BoardTEM Cell50 OhmTertii nation(optiOfiaOAttenuator出凹0胃Signa) generatofPower ampuftefPeiTormanteMonriohng Equtpxneht圖七TEM小室法法輻射抗擾度測試示意圖IEC61967-2中的TEM小室也可以用來進(jìn)行抗擾度的測試，小室一端將接收機(jī)換成信號源和功放，小室另一端接適當(dāng)?shù)钠ヅ湄?fù)載。在小室中建立起來的 T

15、EM波與遠(yuǎn)場的TEM波非常類似，因而適合用來進(jìn)行電磁抗擾度的測試。此外，為了實(shí)時地監(jiān)視集成電路的工作狀 態(tài)，還需要配套的狀態(tài)監(jiān)視設(shè)備。測試示意圖如下：第三部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法大量電流注入法(BCI)Fi<kre<UrfOfl E MS E呵陽bxi f '.SiTirc?iiSense第四部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法直接射頻功率注入法(DPI)SupplyS0UfCe EMI receiver PtewplifierSignalor spectrumPower g&netatoranalyzerPreamplifier圖八BCI測試示意圖本方法是對連接到集成電路引腳

16、的單根線纜或線束注入干擾功率，通過注入探頭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電流探頭測出。這種方法其實(shí)是 由汽車電子抗擾度測試發(fā)展而來的，可參見ISO11452-4，測試示意圖如下所示：050 OhiD coaxdecoupling twerkDC supplyRF iSection portQptJGnBl： control PCdiction a l couplcfDUT ntortrtdr| meters _jRF amplifierRF generatorlest圖九DPI測試示意圖與BCI方法采用感性注入相對應(yīng)，DPI方法采用容性注入。 射頻信號直接注入在芯片

17、單只引腳或一組引腳上，耦合電容同時起到了隔直的作用，避免了直流電壓直接加在功放的輸 出端，測試示意圖如下所示：第五部分：傳導(dǎo)抗擾度測量方法法拉第籠法WFCSignal genetalorow-et/ £ mplificr SupplysoutceFilterFemtfrF emtesourceAuxiliaiylo adfeedthou 100I .I -1 .圖十法拉第籠法抗擾度測試示意圖法拉第籠傳導(dǎo)抗擾度測量法采用IEC61967 5的法拉第籠，只須將接收機(jī)替換成信號源和功放，測試示意圖如下所示。屏蔽的結(jié)構(gòu)和良好的濾波使得射頻干擾信號被限制在法拉 第籠內(nèi)部，可有效地保護(hù)測試操作人

18、員。R&S公司的測試系統(tǒng)解決方案針對IEC61967的各項(xiàng)測試，R&S公司采用認(rèn)證型的接收機(jī)R&S ESCI，結(jié)合各種附件，即可完成集成電路電磁發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)。R&S ESCI同時具有接收機(jī)和頻譜儀的功能，完全符合標(biāo)準(zhǔn)CISPR16-1-1。工作頻率范圍是 9kHz-3GHz，內(nèi)置預(yù)選器和 20dB的預(yù)放，帶 有峰值、準(zhǔn)峰值、有效值、線性平均和CISPR平均檢波器，各檢波器可以用條形圖顯示，且?guī)в蟹逯当３止δ?，通過GPIB總線接口可由 R&S EMC32軟件包實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，發(fā)射測試配置如下圖所示：IEC6196" 2 TEM OilIEC'

19、;01-4IOfXEC'dlQo- 5 VBFCUpeiiiiuig SystemR&S ESCIREi?EnTRr IEC6196-6MaguettcProbe圖十一 集成電路電磁發(fā)射測試配置圖針對IEC62132的各項(xiàng)抗擾度測試，R&S公司采用集成測試系統(tǒng) R&S IMS，結(jié)合各種附件，即可完成所有的集成電路抗擾度測試。R&S IMS是一款緊湊型的測試設(shè)備，覆蓋頻率9 kHz到3 GHz，內(nèi)置了信號源、切換開關(guān)、功率計(jì)和功放，同時也可控制外置功放； 通過GPIB總線接口可由 R&S EMC32軟件包實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制， 抗擾度測試配置如下圖所示。N