集成电路的电磁兼容测试

2011-12-20

集成电路的电磁相容性正日益受到重视。电子设备和系统供货商努力改进其产品以满足电磁兼容规格，降低电磁发射和增强抗干扰能力。过去，集成电路供货商关心的只是成本，应用领域和性能，几乎很少考虑电磁兼容问题。即使单颗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。当大量的数字讯号瞬间同时切换时便会产生许多高频分量。

尤其是近年来，集成电路频率越来越高，整合的晶体管数目越来越多，集成电路的电源电压越来越低，芯片特征尺寸进一步减小，但越来越多功能，甚至是一个完整的系统都能被整合在单一芯片中，这些发展都使芯片级电磁兼容更加突出。现在，集成电路供货商也必须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，尽管对电子设备及子系统已经有了较详细的电磁兼容标准，但对集成电路来说，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年就展开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订自己的集成电路电磁兼容测试标准SAE J 1752，主要着重在发射测试部份。1997年，IEC SC47A所属的第九工作组WG9成立，专门研究集成电路电磁兼容测试方法，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也正制订相关标准IEC62215。

目前，IEC61967标准用于频率为150kHz~1GHz的集成电路电磁发射测试，包括以下六个部份：

通用条件和定义(参考SAE J1752.1)；
辐射发射测量方法─TEM小室法(参考SAE J1752.3)；
辐射发射测量方法─表面扫描法(参考SAE J1752.2)；
传导发射测量方法─1Ω/150Ω直接耦合法；
传导发射测量方法─法拉第罩法WFC(workbench faraday cage)；
传导发射测量方法─磁场探棒法。

IEC62132标准用于频率为150kHz~1GHz的集成电路电磁抗扰度测试，包括以下五部份：

通用条件和定义；
辐射抗扰度测量方法─TEM小室法；
传导抗扰度测量方法─大量电流注入法(BCI)；
传导抗扰度测量方法─直接射频功率注入法(DPI)；
传导抗扰度测量方法─法拉第罩法(WFC)。

IEC62215标准用于集成电路脉冲抗扰度测试，包括以下三部份，但尚未正式出版：

通用条件和定义；
传导抗扰度测量方法─同步脉冲注入法；
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)。

电磁发射测试标准IEC61967

通用条件和定义

IEC61967的通用条件和定义包含下列几项：

传感器：TEM小室、场探棒等；

频谱仪或接收机：频率范围覆盖150kHz-1GHz，峰值检波、具备最大值保持功能，分辨率频宽的设置如下表：

表1：分辨率频宽的选择。

电源：用电池供电或采用低射频噪音的电源；

测试温度：23℃±5℃；

环境噪音：除被测IC外其余外围电路供电时，所测到的背景噪音低于限值至少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刷电路板上，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，板上既可以整合IEC61967发射测试需要的1Ω/150Ω直接耦合法阻抗匹配网络，磁场探棒法测试用的迹线，也可以整合IEC62132-4用到的耦合电容。

图1：标准集成电路测试板。

TEM小室法

图2：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组件过渡，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，互联机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，那些焊接接脚、封装联机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干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。

表面扫描法

图3：表面扫描法测试图。

IEC 61967标准中的这一部份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：使用电场探棒或磁场探棒机械地扫过集成电路的表面，记录每次的频率、发射值和探棒的空间位置，透过软件进行后处理，各频率点场强的空间分布图可用有色图谱表示。这种方法所能达到的效果与机械定位系统的精确度及所用探棒尺寸密切相关。此方法可用于一般的PCB，所以未必要采用IEC61967-1中推荐的标准测试电路板。透过对集成电路表面进行电场和磁场扫描，可以准确定位集成电路封装内电磁辐射过大的区域。标准推荐使用部份屏蔽的微型电场探棒和单匝的微型磁场探棒，这两种近场探棒都可用0.5mm的半刚体同轴电缆制作。

1Ω/150Ω直接耦合法

图4：1Ω/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接脚上的总干扰电流，150Ω测试法用来测试输出端口的干扰电压。离开芯片的射频电流汇流到集成电路的接地接脚，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干扰大小。用1Ω的电阻串联在地回路中，一方面可用来取得地回路的射频电流；另一方面，可实现测试设备与接地接脚端的阻抗匹配。150Ω测试法可用来测试单根或多根输出讯号线的干扰电压，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。测试图如下所示。

法拉第罩法(WFC)

图5：法拉第罩法发射测试示意图。

法拉第罩法可测试电源线和输入输出讯号在线的传导干扰电压。将装有集成电路的标准电路板或应用电路板放入法拉第罩中，电源线和讯号线进出法拉第罩都要经过滤波处理，法拉第罩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音，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。

磁场探棒法

图6：磁场探棒法测试示意图。

磁场探棒法是透过测试PCB板导线上的电流来评定集成电路的电磁发射。芯片接脚透过PCB板上的导线与电源或外围电路相连，它产生的射频电流可用一个靠近的磁场探棒获取，由电磁感应定律，探棒输出端的电压正比于导线上的射频电流。磁场探棒的结构细节和推荐尺寸在标准中有详细描述，测试图如下所示：

电磁抗扰度测试法IEC62132

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重复的测试方法。芯片的抗扰度可分为辐射抗扰度和传导抗扰度，需要得到集成电路产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，调变方式也是采用1kHz 80%调变深度的峰值电平恒定调幅，这些要求都与汽车零件的抗扰度测试标准ISO11452相似。

TEM小室法

图7：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讯号源和功率放大器，小室另一端接适当的匹配负载。在小室中设立起来的TEM波与远场的TEM波非常类似，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。测试图如下：

大量电流注入法(BCI)

图8：BCI测试示意图。

本方法是对连接到集成电路接脚的单根缆线或线束注入干扰功率，透过注入探棒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棒测出。这种方法其实是由汽车电子抗扰度测试发展而来，可参见ISO11452-4，测试图如下所示：

直接射频功率注入法(DPI)

图9：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。射频讯号直接注入在芯片单只接脚或一组接脚上，耦合电容同时具备隔离作用，避免了直流电压直接加在功率放大器的输出端，测试示意图如下所示：

法拉第罩法WFC

图10：法拉第罩法抗扰度测试示意图。

法拉第罩传导抗扰度测量法采用IEC61967-5的法拉第罩，只须将接收机换成讯号源和功率放大器，测试图如下所示。屏蔽的结构和良好的滤波使射频干扰讯号被限制在法拉第罩内部，可有效地保护测试作业人员。

测试系统方案范例

图11：集成电路电磁发射测试配置图。

图12：集成电路电磁抗扰度测试配置图。

针对IEC61967的各项测试，R&S提出了经认证的接收机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，内建预选器和20dB的前置放大器，具有峰值、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，且具有峰值保持功能，透过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。

针对IEC62132的各项抗扰度测试，R&S公司采用整合测试系统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是一款紧密型的测试设备，覆盖频率9kHz~3GHz，内建了讯号源、切换开关、功率计和功率放大器，同时也可控制外部功率放大器；透过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。

随着工作频率及芯片复杂度的不断成长，集成电路电磁辐射及抗扰度测试也必须持续发展以适应新的要求：测试向高频方向发展，为了突破1GHz的限制，不少国家和企业已经采用GTEM小室法，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进行中。即将出版的标准IEC62215将能与IEC62132互补，预计将更全面地考虑集成电路遭受电磁干扰时的情形。

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