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測試與測量  

積體電路的電磁相容測試

上網時間: 2007年03月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EMC  積體電路  電磁相容 

積體電路電磁相容性正日益受到重視。電子設備和系統供應商努力改進其產品以滿足電磁相容規格,降低電磁發射和增強抗干擾能力。過去,積體電路供應商關心的只是成本,應用領域和性能,幾乎很少考慮電磁相容問題。即使單顆積體電路通常不會產生較大的輻射,但它還是經常成為電子系統輻射發射的根源。當大量的數位訊號瞬間同時切換時便會產生許多高頻分量。

尤其是近年來,積體電路頻率越來越高,整合的電晶體數目越來越多,積體電路的電源電壓越來越低,晶片特徵尺寸進一步減小,但越來越多功能,甚至是一個完整的系統都能被整合在單一晶片中,這些發展都使晶片級電磁相容更加突出。現在,積體電路供應商也必須考慮自己產品電磁相容方面的問題。

積體電路電磁相容的標準化

由於積體電路的電磁相容是一個相對較新的學科,儘管對電子設備及子系統已經有了較詳細的電磁相容標準,但對積體電路來說,其測試標準卻相對滯後。國際電工委員會第47A技術分委會(IEC SC47A)早在1990年就展開積體電路的電磁相容標準研究。此外,北美的汽車工程協會也開始制訂自己的積體電路電磁相容測試標準SAE J 1752,主要著重在發射測試部份。1997年,IEC SC47A所屬的第九工作組WG9成立,專門研究積體電路電磁相容測試方法,參考了各國的建議,至今相繼出版了150kHz~1GHz的積體電路電磁發射測試標準IEC61967和積體電路電磁抗擾度標準IEC62132。此外,在脈衝抗擾度方面,WG9也正制訂相關標準IEC62215。

目前,IEC61967標準用於頻率為150kHz~1GHz的積體電路電磁發射測試,包括以下六個部份:

1. 通用條件和定義(參考SAE J1752.1);

2. 輻射發射測量方法─TEM小室法(參考SAE J1752.3);

3. 輻射發射測量方法─表面掃描法(參考SAE J1752.2);

4. 傳導發射測量方法─1Ω/150Ω直接耦合法;

5. 傳導發射測量方法─法拉第罩法WFC(workbench faraday cage);

6. 傳導發射測量方法─磁場探棒法。

IEC62132標準用於頻率為150kHz~1GHz的積體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標準用於積體電路脈衝抗擾度測試,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─同步脈衝注入法;

3. 傳導抗擾度測量方法─隨機脈衝注入法參考(IEC61000-4-2和IEC61000-4-4)。

電磁發射測試標準IEC61967

通用條件和定義

IEC61967的通用條件和定義包含下列幾項:

感測器:TEM小室、場探棒等;

頻譜儀或接收機:頻率範圍覆蓋150kHz-1GHz,峰值檢波、具備最大值保持功能,解析度頻寬的設置如下表:


表1:解析度頻寬的選擇。

電源:用電池供電或採用低射頻噪音的電源;

測試溫度:23℃±5℃;

環境噪音:除被測IC外其餘週邊電路供電時,所測到的背景噪音低於限值至少6dB,必要時可採用前置放大器;

測試電路板:通常積體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覆性,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小室頂端的開口大小匹配,板上既可以整合IEC61967發射測試需要的1Ω/150Ω直接耦合法阻抗匹配網路,磁場探棒法測試用的跡線,也可以整合IEC62132-4用到的耦合電容。


圖1:標準積體電路測試板。

TEM小室法


圖2:TEM小室法輻射發射測試示意圖。

TEM小室其實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導體,外導體為方形,兩端呈錐形向通用的同軸元件過渡,一頭連接同軸線到測試接收機,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方形開口用於安裝測試電路板。其中,積體電路的一側安裝在小室內側,互連線和週邊電路的一側向外。這樣做使測到的輻射發射主要來源於被測的IC晶片。受測晶片產生的高頻電流在互連導線上流動,那些焊接接腳、封裝連線就充當了輻射發射天線。當測試頻率低於TEM小室的一階高次模頻率時,只有主模TEM模傳輸,此時TEM小室埠的測試電壓與干擾源的發射大小有較好的定量關係,因此,可用此電壓值來評定積體電路晶片的輻射發射大小。

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積體電路表面電場和磁場的空間分佈狀態,測試示意圖如下所示:使用電場探棒或磁場探棒機械地掃過積體電路的表面,記錄每次的頻率、發射值和探棒的空間位置,透過軟體進行後處理,各頻率點場強的空間分佈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。此方法可用於一般的PCB,所以未必要採用IEC61967-1中推薦的標準測試電路板。透過對積體電路表面進行電場和磁場掃描,可以準確定位積體電路封裝內電磁輻射過大的區域。標準推薦使用部份屏蔽的微型電場探棒和單匝的微型磁場探棒,這兩種近場探棒都可用0.5mm的半剛體同軸電纜製作。

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測試法用來測試接地接腳上的總干擾電流,150Ω測試法用來測試輸出埠的干擾電壓。離開晶片的射頻電流匯流到積體電路的接地接腳,因此對地迴路射頻電流的測量可較好地反映積體電路的電磁干擾大小。用1Ω的電阻串聯在地迴路中,一方面可用來取得地迴路的射頻電流;另一方面,可實現測試設備與接地接腳端的阻抗匹配。150Ω測試法可用來測試單根或多根輸出訊號線的干擾電壓,150Ω阻抗代表線束共模阻抗的統計平均值。為實現150Ω共模阻抗與50Ω的測試系統阻抗的匹配,必須採用阻抗匹配網路。測試圖如下所示。

法拉第罩法(WFC)


圖5:法拉第罩法發射測試示意圖。

法拉第罩法可測試電源線和輸入輸出訊號線上的傳導干擾電壓。將裝有積體電路的標準電路板或應用電路板放入法拉第罩中,電源線和訊號線進出法拉第罩都要經過濾波處理,法拉第罩上測試埠接測試儀器,待測埠接50Ω匹配負載,較好的屏蔽環境降低了測試的背景噪音,測試路徑串聯100Ω電阻用來實現150Ω共模阻抗與50Ω射頻阻抗的匹配,測試原理圖如下所示。

磁場探棒法


圖6:磁場探棒法測試示意圖。

磁場探棒法是透過測試PCB板導線上的電流來評定積體電路的電磁發射。晶片接腳透過PCB板上的導線與電源或週邊電路相連,它產生的射頻電流可用一個靠近的磁場探棒獲取,由電磁感應定律,探棒輸出端的電壓正比於導線上的射頻電流。磁場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

為了評定晶片的抗擾度性能,需要一個易於實現且可重覆的測試方法。晶片的抗擾度可分為輻射抗擾度和傳導抗擾度,需要得到積體電路產生故障時的射頻功率大小。抗擾度測試將積體電路工作的性能狀態分為五個等級,測試時,連續波和調幅波測試要分別進行,調變方式也是採用1kHz 80%調變深度的峰值電平?定調幅,這些要求都與汽車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小室也可以用來進行抗擾度的測試,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。在小室中設立起來的TEM波與遠場的TEM波非常類似,適合用來進行電磁抗擾度的測試。此外,為了即時地監視積體電路的工作狀態,還需要配套的狀態監視設備。測試圖如下:

大量電流注入法(BCI)


圖8:BCI測試示意圖。

本方法是對連接到積體電路接腳的單根纜線或線束注入干擾功率,透過注入探棒被測電纜由於感性耦合而產生干擾電流,此電流的大小可由另一個電流探棒測出。這種方法其實是由汽車電子抗擾度測試發展而來,可參見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方法採用感性注入相對應,DPI方法採用容性注入。射頻訊號直接注入在晶片單只接腳或一組接腳上,耦合電容同時具備隔離作用,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採用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人員。

測試系統方案範例


圖11:積體電路電磁發射測試配置圖。


圖12:積體電路電磁抗擾度測試配置圖。

針對IEC61967的各項測試,R&S提出了經認證的接收機R&S ESCI,結合各種附件,即可完成積體電路電磁發射測試標準。R&S ESCI同時具有接收機和頻譜儀的功能,完全符合標準CISPR16-1-1。工作頻率範圍是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GPIB匯流排介面可由R&S EMC32套裝軟體實現遠端控制,發射測試配置如下圖所示。

針對IEC62132的各項抗擾度測試,R&S公司採用整合測試系統R&S IMS,結合各種附件,即可完成所有的積體電路抗擾度測試。R&S IMS是一款緊密型的測試設備,覆蓋頻率9kHz~3GHz,內建了訊號源、切換開關、功率計和功率放大器,同時也可控制外部功率放大器;透過GPIB匯流排介面可由R&S EMC32套裝軟體實現遠端控制,抗擾度測試配置如下圖所示。

隨著工作頻率及晶片複雜度的不斷成長,積體電路電磁輻射及抗擾度測試也必須持續發展以適應新的要求:測試向高頻方向發展,為了突破1GHz的限制,不少國家和企業已經採用GTEM小室法,彌補TEM小室測試頻率限值的不足;脈衝抗擾度測試的標準化也正進行中。即將出版的標準IEC62215將能與IEC62132互補,預計將更全面地考慮積體電路遭受電磁干擾時的情形。

作者:

丁丁

產品工程師

羅德史瓦茲中國有限公司




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