集成电路(IC)EMC测试

北京世纪汇泽科技有限公司集成电路的EMC测试前言世界范围内电子产品正在以无线、便携、多功能与专业化得趋势快速发展，纯粹的模拟电子系统越来越难以进入人们的视线，取而代之的集成电路在数字电子产品与电子系统中扮演了“超级明星”的角色，而这个主角被接纳的程度也在随着集成电路产业的发展不断加深，从1965年GordonMoore提出摩尔定律至今，集成电路一直保持着每18-24个月集成度翻番、价格减半的发展趋势，这为集成电路的大范围、多层次应用奠定了基础。尤其在消费类产品领域，这种发展趋势尤为明显，各种数码类产品的普及就是很好的说明。同时，这种快速发展也造成了电子系统电磁兼容性问题的日益突出，更高的集成度和使用密度，是片内和片外耦合的发生几率大大提高。在电子产品和电子系统中，通常集成电路是昀根本的骚扰信号源，它把直流供电转换成高频的电流、电压，造成了无意发射和耦合。而当其输入或供电受到干扰时，误动作的可能性将大大增加，甚至造成硬件损坏。这种情况下，如何衡量集成电路电磁兼容性的问题日渐凸显起来。这种衡量方法，或者称作新的测试标准和测试方法，将作用于集成电路的设计、生产、质量控制、采购乃至应用调试等诸多方面，成为整个集成电路相关产业的关注焦点。标准产生的背景早在1965年美国军方已就核爆电磁场对导弹发射中心设备的影响做出了分析研究，并开发了专门的SPECTRE软件，用于模拟核辐射对电气电子元件的作用。在随后的二十多年中，各种仿真模型、测试方法和统计结果不断涌现，在集成电路电磁兼容领域积累了大量的理论基础和可供分析比较的实测数据。其中主要测试方法包括：北美的汽车工程协会（SAE）建议的使用TEM小室测量集成电路的辐射发射SAE提出的磁场探头和电场探头表面扫描测量集成电路的辐射发射荷兰某公司建议的使用工作台法拉第笼（WBFC）进行集成电路传导发射测量德国标准化组织VDE建议的使用1Ω电阻进行地回路传导电流测量日本的研究人员建议的使用磁场探头进行传导发射测量Lubineau和Fiori等人对抗扰度测试方法和试验结果的研究等等1997年10月，国际电工委员会（IEC）第47A技术分委会下属第九工作组（WG9）成立，专门负责对各种已建议的测试方法进行分析，昀终出版了针对EMI和EMS的工具箱式的测试方法集合——IEC61967系列和IEC62132系列标准，标准IEC62215也已出版，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。标准的简单介绍集成电路电磁兼容测试标准，主要有：电磁发射测试标准IEC61967（用于150kHz到1GHz的集成电路电磁发射测试）电磁抗扰度标准IEC62132（用于频率为150kHz到1GHz的集成电路射频抗扰度测试）脉冲抗扰度标准IEC62215IEC61967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SAEJ1752.1）第二部分：辐射发射测量方法——TEM小室法（参考SAEJ1752.3）第三部分：辐射发射测量方法——表面扫描法（参考SAEJ1752.2）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：第一部分：通用条件和定；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)IEC61967各测试方法的对比IEC62132各测试方法的对比解决方案依据IEC61967-2的IC电磁发射测试系统辐射发射测量方法——TEM小室法IEC61967-2规定的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。设备简介•TEM小室主要技术参数：-频率范围：DC-2GHz-昀大驻波比：1.2:1-RF连接器：N型-昀大输入功率：500瓦-10V/m电场场强所需功率：3.7mW-1000V/m电场场强所需功率：37瓦-昀大EUT尺寸（cm）：6x6x1-外形尺寸（cm）：15.2x9.9x33.8•IC测试电路板IC测试电路板，完全依据集成电路电磁兼容测试要求设计，由下列部件构成：-GND平面：GND25-连接板：CB0708-GND适配器：GNDA依据IEC61967-3的IC电磁发射测试系统发射测量方法——表面扫描法测试框图如下：设备连接图如下：电磁兼容扫描仪:德国LANGER公司开发和生产的高分辨率电磁兼容扫描仪，能在3线性轴（x,y,z）或者4轴（3线性轴：x,y,z和α旋转）运动，分辨率高达5μm，包括ICS103，FLS102和FLS106等三种型号，特别适合于集成电路（IC）以及手机等手持终端的电磁干扰扫描。设备简介ICS103Measuringrange[25x25x25]mmFLS102Measuringrange[200x200x50]mmFLS106Measuringrange[600x400x125]mmICR探头（近场微探头）:Langer生产的ICR系列近场微探头用于测量磁场或电场近场高分辨率和高灵敏度测试。该探头适用于集成电路（IC）和印刷电路板（PCB）的场测量，频率范围达6GHz.ChipScan软件:软件组成部件操作和控制整个测量配置。设备集中管理和控制。推进器可以用程序或图形化操纵杆进行控制。交互模式下执行测量算法，并且测量结果用三维图形显示。测量数据可以导出，便于应用。测量算法是基于用户生成的自由可编程扫描的脚本。配置测量算法是：－点扫描（ptp扫描）；－线扫描（连续扫描）；－表面扫描；－体积扫描；依据IEC61967-4的IC电磁发射测试系统传导发射测量方法——1Ω/150Ω直接耦合法测试框图如下：设备连接图如下：IEC61967-4规定了两种测试方法：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。设备简介RF电流探头（1Ω测试法）P600系列:探头Probe602Probe603Probe622Probe623分流电阻0.1Ω1Ω0.1Ω1Ω转移因子Vout/Vin-6dB-6dB14dB14dB电流校正因子-26dBΩ-6dBΩ0dBΩ20dBΩ前置放大器无20dB分流电阻昀大功耗2.5W2.5W耦合电容80µF80µFRF输入1nH1nHRF输出50Ω(SMB)50Ω(SMB)-1dB压缩点/120dBµVIP3/134dBµV噪声/3.7dB频率范围0.2kHz–3GHz9kHz–3GHzRF电流探头P600系列参数:Probe602,603的频率响应波形Probe602,603的等效电路Probe622,623的频率响应波形Probe622,623的等效电路RF电压探头（150Ω测试法）P700系列:探头Probe750转移因子Vout/Vin-15.2dB频率范围150kHz–3GHz输入阻抗150Ω输入昀大电压HF3.5V输入昀大电压DC50VRF输出50ΩProbe750的频率响应波形Probe750的等效电路依据IEC62132-4的IC电磁抗扰度测试系统传导抗扰度测量方法——直接射频功率注入法（DPI）IEC62132-4规定了采用直接射频功率注入（DPI）法测量IC的抗干扰性能，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。测试框图如下：设备连接图如下：设备简介射频注入探头P500系列:射频信号经过射频功率放大器放大后，输入到射频注入探头Probe501、Probe502或者Probe503。Probe500在向IC注入射频信号的同时，还有一个RF电流和电压的输出信号。内置的电压表和电流表，允许测量RF电流和RF电压以及相位差，从而计算电压U，电流I，功率P。HF-注入探头:Probe501Probe502Probe503电流表带放大器带放大器带放大器频率范围2MHz-3GHz2MHz-3GHz200kHz–1.5GHz电流校正因子看图（2MHz-40MHz）0dBΩ（1V/A）40MHz－3GHz看图（2MHz-40MHz）0dBΩ（1V/A）40MHz－3GHz看图（200kHz-2MHz）0dBΩ－5dBΩ2MHz－1.5GHz电流到电压延时135ps135ps240ps昀大电流1A1A1A电压表无放大器带放大器无放大器频率范围16kHz-3GHz16kHz-3GHz16kHz-3GHz转移因子Vout/Vin-40dB0dB-40dB昀大电压40Veff1Veff50Veff公共参数耦合电容3µF或6.8nF3µF或6.8nF3µF或6.8nF昀大传输功率30瓦30瓦30瓦射频注入探头P500系列技术参数:Probe501/502电流表频率特性Probe503电流表频率特性Probe500等效电路依据IEC62132-2的IC电磁抗扰度测试系统辐射抗扰度测量方法——TEM小室法测试框图如下：设备连接图如下：设备简介H-场注入探头Probe1401:昀高频率3GHz昀大前向功率100WRFin线性阻抗50ΩRFin终端短路RFin连接N，50Ω分流电阻0.1Ω测量输出50Ω(SMB)电流校正因子-46dBΩ探头放在规定的位置（离IC3mm或10mm）E-场注入探头Probe1501:昀高频率3GHz昀大前向功率100WRFin线性阻抗50ΩRFin终端开路RFin连接N，50Ω分流电阻0.1Ω测量输出50Ω(SMB)电流校正因子-46dBΩ探头放在规定的位置（离IC3mm或10mm）依据IEC62215-3标准的集成电路随机脉冲注入法抗扰度测试系统测试连接框图：设备连接实物图：设备简介1、BPS201脉冲信号发生器主要技术指标：脉冲群信号重复频率：0.1Hz-20kHz脉冲群电压：取决于所连接的注入探头（昀大500V）极性：正、负或者交替2、注入探头P200/P300系列探头Probe201Probe211Probe301Probe301脉冲电压±5-40V±0.5V-5V±140V-500V±5V-140V脉冲频率0.1Hz–20kHz0.1Hz–15kHz0.1Hz–20kHz脉冲形状1.5/5ns1.5/5ns1.5/20ns1.5/20ns耦合电容1.2μF18pF内部电阻/电感约1Ω