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IC集成电路芯片的EMC测试方法

IC集成电路 的用户能够根据其 EMC 参数比较各种类型的 IC,这一点很重要。这使得可以选择最佳 IC,并且意味着布局设计和器件可以与 IC 的 EMC 参数保持一致。

对于 IC 制造商而言,其产品的良好 EMC 特性意味着优于竞争对手。因此,目标是确定那些对 EMC 抗扰度和辐射起决定性作用的参数,并允许工程师为芯片设计得出结论。

参考文献:IC集成电路EMC测试标准介绍

目前流行的 IC 测试方法

现在,参考人体模型,电子元件(IC、晶体管)的 ESD 强度在规格中引用 1 到几 kV 的值是很常见的。对于人体模型 (HBM),电容器 (100 pF) 以测试电压充电,并通过 1500 欧姆在被测设备上放电。HBM 在标准 MIL-STD-883G 和 IEC 801-2 中进行了描述。机器模型 (MM) 是根据相同原理工作的进一步测试模型。

这两种模型仅用于验证在生产、包装、运输和组装过程中处理组件时 IC 的抗破坏性。在 MM 或 HBM 测试期间,测试对象永远不会连接到电压,即它不运行。

根据人体模型指定的 ESD 强度与操作期间的 ESD 行为无关。事实上,为人体模型设计的保护机制(不考虑操作过程中的故障)甚至可能导致IC在功能干扰测试期间出现故障或失效。

目前正在开展有关 IC 的 EMC 标准、测试方法和限值的工作。

设备(资源和设备)的 EMC 要求已在标准、测试方法和限值中定义。这些器件经过 ESD 和突发测试(IEC 标准 61000-4-2/61000-4-4),测试电压在 kV 范围内。

设备中使用的 IC 和其他半导体最终是干扰发射和缺乏抗扰度的原因。

IC 发出的干扰可以在其接口处进行测量,并在这些测量的基础上进行评估和定义。

IC 具有较低的抗干扰性,其抗扰度水平在伏特范围内。

标准测试期间在器件外部引入的脉冲电压在到达 IC 的过程中会衰减。器件外部的几 kV 电压在 IC 引脚处降低到大约 1 … 100 V 的电压。这些电压可能会超过 IC 的抗扰度水平。这意味着与器件测试相比,IC 的测试电压必须在 1 到几百伏的范围内,而不是在 kV 范围内。只有少数例外(特殊设备)才需要更高的测试电压。

新IC EMC测试系统

IC EMC测试系统(图 1图 2)可用于分析 IC 在(传导和辐射)干扰和/或相应发射的选择性影响下的行为。从该分析中获得的见解有助于半导体制造商优化 IC 和 IC 用户克服其电子模块中的弱点。

测试IC在使用中进行测试。

图 1使用 IC 测试系统进行测量的基本原理(进行)
图 1使用 IC 测试系统进行测量的基本原理(进行)
图 2使用 IC 测试系统(辐射)进行测量的基本原理
图 2使用 IC 测试系统(辐射)进行测量的基本原理

IC 测试系统让 IC 用户:

  • 在 IC 级别识别设备中的 EMC 问题
  • 根据获得的见解选择 IC 和
  • 根据 IC 的 EMV 参数优化电路和/或布局设计。

IC 测试系统让 IC 制造商能够:

  • 测量和检查 IC 的抗扰度/辐射
  • 确定干扰的原因和
  • 优化 IC

需要不同的探头组(图 3)来确定各种 EMC 参数。用户可以根据使用领域(包括 RF、EFT、ESD、DPI、发射 1 ohm 方法……)选择探头组。

图 3带有 ICE1 IC 测试环境的测量系统/探针组的 IC 测试系统概览
图 3带有 ICE1 IC 测试环境的测量系统/探针组的 IC 测试系统概览

ICE1 IC 测试环境需要作为探针组的最佳测试环境:

  • 用于测试 IC 的测试板,提供测试 IC 和测试系统之间的统一接口
  • 用于触发测试IC的CB 0708连接板
  • 提供统一参考电位的 GND25 接地层
  • 此外,根据探头组和相应的工作,可能需要外部设备:
  • 干扰发生器(例如 EFT/burst)
  • 示波器
  • 频谱分析仪
  • 个人电脑
  • 功率放大器

被测 IC 位于测试装置中的测试板上。过滤连接将测试板连接到位于其下方的 CB 0708 连接板,该连接板将测试 IC 连接到 PC。可以使用随附的软件控制和监视 IC。连接板集成在接地平面中,形成用于测试的固定接地参考系统。探头组中的探头放置在接地平面上,用于通过导电或电容/电感耦合将干扰注入测试 IC 或测量其发射。根据各自的类型,探头组通过外部干扰发生器(RF、EFT/突发)、频谱分析仪或 Langer-EMV 的突发电站 (BPS) 供电和控制。

突发发电站作为附件包含在某些探头组中。探头的脉冲电压、脉冲频率和极性可以通过随附的 BPS-Client 控制软件进行修改。

IC 的 EMC 参数

每个 IC 都具有与传导和辐射干扰相关的特征抗扰度。这些是其 EMC 参数。IC 引脚具有传导抗扰度,可以使用探头组中的相应探头进行测量。

整个 IC 具有辐射抗扰度。干扰场可以从外部影响 IC,并超过这些对磁场和电场的抗扰度。这些免疫水平是相互独立的。需要产生合适的和定义的场的探头来确定场抗扰度水平。

此外,可以通过引脚测量 IC 的传导干扰发射,并通过 IC 外壳测量辐射(电和磁近场)发射。测得的曲线是可以用来分析 IC 的 EMC 参数。

IC测试系统的设置

图 4带有探针和测试 IC 的 ICE1 IC 测试环境的截面图(进行)
图 4带有探针和测试 IC 的 ICE1 IC 测试环境的截面图(进行)
图 5带有探针和测试 IC(辐射)的 ICE1 IC 测试环境剖面图
图 5带有探针和测试 IC(辐射)的 ICE1 IC 测试环境剖面图

被测 IC 位于测试装置中的测试板上。过滤连接将测试板链接到位于其下方的连接板,该连接板将测试 IC 连接到 PC。可以使用随附的软件控制和监视 IC。连接板位于接地平面的下侧,形成用于测量的固定接地参考系统。探针放置在接地平面上,用于通过导电或电容/电感耦合将干扰注入测试 IC 或测量其发射。测量连接是通过探头的针脚接触到测试 IC 的被测针脚进行的。这种小规模的设置和连续的接地层确保测量也可以在 GHz 范围内进行。

IC EMC测试方法的定义

必须分析设备中的 EMC 抗扰度和发射机制。所有干扰变量(RF、ESD、EFT、发射、RF 发射……)的测试方法均源自该分析。

IC EMC抗干扰测试

器件的测试方法在被测器件中产生电场和磁场。这些场会影响通向 IC 以及 IC 外壳的印刷电路板网络。作用在网络上的场会在这些网络中产生电流和电压,这些电流和电压会影响连接的 IC。

图 6 EFT 测试台
图 6 EFT 测试台

IC 的测试发生器通常必须模拟这些电气和磁性参数。图 6显示了突发或 ESD 测试台的基本设置。注入被测器件 u G (t)的测试脉冲产生流过器件的电流脉冲 i(t)。这会导致器件中出现电压降 D u (t)。该电压降 D u (t) 在器件中产生电场强度 E(t)。电流 i(t) 在设备中产生脉冲磁场 H(t)。这些场对 IC 上外部连接的导体轨道(传导)或直接对 IC 外壳(辐射)有间接影响。

IC EMC干扰发射测试

开关模式 IC 产生内部 RF 电流和电压。这些反过来会产生直接从 IC 外壳逸出的电场或磁场 RF 场。此外,RF 电压和电流可以传输到 IC 引脚并因此传输到印刷电路板上 IC 外部的网络,在那里它们产生射频和/或射频场。电场E由图7中的IC和IC的外部网络产生。电场耦合到相邻组件并刺激它发出干扰。在这种情况下,IC 的 EMC 参数是 IC 发射的电场强度以及 IC 外部网络受到刺激的电参数电流和电压(IC 发射)。

必须使用合适的系统(探针组)测量 IC 外壳的电场、磁场参数以及 IC 引脚的射频电流和电压。这些是IC的特性。

图 7通过 IC 的电场和印刷电路板的网络对电子设备中的干扰发射的刺激
图 7通过 IC 的电场和印刷电路板的网络对电子设备中的干扰发射的刺激

IC EMC磁/电感耦合测试

流过电路板的脉冲干扰电流会产生脉冲磁场。这些磁场 B St可以耦合到导体回路中并感应出干扰电压 u St。脉冲磁场可以通过两种方式干扰 IC 的功能(图 8):

感应电压会影响作为输入切换的 IC 引脚。干扰电压 uSt 在 IC 中被输入电路转换为杂散信号,并进一步处理为逻辑信号。

感应电压驱动干扰电流 i St进入 IC 的引脚。如果这些是 Vdd/Vss 引脚,则此干扰电流会直接进入 IC 的内部 Vdd/Vss 系统。然而,它也可以通过信号引脚进入,并通过内部驱动器或保护二极管或电容被引导到 IC 内部的 Vdd/Vss 系统。Vdd/Vss 系统将干扰电流传递到 IC 的其他功能组件,因此在功能上未连接到受影响引脚的区域可能会出现故障。

图 8脉冲磁场引起的 IC 干扰
图 8脉冲磁场引起的 IC 干扰

IC EMC电/电容耦合测试

模块可能会暴露在几个 10,000 V/m 的脉冲电场中(测试设置根据 IEC 61000-4-4),这也会影响电路板网络(图 9)。位移电流 D 通过线路的寄生电容流向周围。连接到线路的 IC 会受到两种方式的影响:

该网络本质上在电路板和 IC 中具有电路元件 R、L 和针对 Vdd 和 Vss 的二极管。位移电流在这些元件上产生干扰脉冲 u St。这种干扰脉冲在 IC 中被输入电路转换为寄生信号,并作为逻辑信号进一步处理。

位移电流被分成两部分。第一部分通过电路板的等效电路和可能存在的任何去耦电容器放电。第二部分干扰电流 i St通过驱动器或保护二极管流经 IC 到达 Vdd/Vss 系统。它产生类似于磁场耦合的效果。

图 9脉冲磁场对 IC 的干扰
图 9脉冲磁场对 IC 的干扰