集成电路的电磁兼容测试.doc

1、集成电路的电磁兼容测试当 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

2、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

3、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

4、 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

5、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

6、 法 1/150 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

7、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

8、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

9、 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 TE

10、M 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 1/150 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

11、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

12、 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

13、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

14、 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

15、1/150 直 接 耦 合 法 图 四 1/150 直 接 耦 合 法 测 试 示 意 图 IEC61967 4 分 为 两 种 方 法 ： 1 测 试 法 和 150 测 试 法 。 1 测 试 法 用 来 测 试 接 地 引 脚上 的 总 骚 扰 电 流 ， 150 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 1 的 电 阻 串 联 在 地 回 路 中 ，

16、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 。 150 测 试 法 可 用 来 测 试 单 根 或 多 根 输 出 信 号线 的 骚 扰 电 压 ， 150 阻 抗 代 表 线 束 共 模 阻 抗 的 统 计 平 均 值 。 为 实 现 150 共 模 阻 抗 与50 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

17、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 50 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 100 电 阻 用 来 实 现 150 共

18、模 阻 抗 与 50 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

19、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

20、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

21、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

22、 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

23、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

24、 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

25、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

26、 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

27、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 。